Magnetinių granulių taikymas perjungiamojo maitinimo šaltinio EMS projekte
Straipsnyje supažindinama su ferito granulių charakteristikomis ir pagal charakteristikas analizuojamas ir pristatomas svarbus jo pritaikymas perjungiamojo maitinimo EMS projektavimui, pateikiami eksperimentiniai ir bandymų rezultatai elektros linijos filtre.
EMC tapo karšta ir sudėtinga šiuolaikinės elektronikos projektavimo ir gamybos problema. EMS problema praktiškai taikant yra labai sudėtinga ir jos negalima išspręsti remiantis teorinėmis žiniomis. Tai labiau priklauso nuo elektronikos inžinierių praktinės patirties. Siekiant geriau išspręsti elektroninių gaminių EMS problemą, būtina apsvarstyti tokius klausimus kaip įžeminimas, grandinės ir PCB plokštės dizainas, kabelių dizainas ir ekranavimo dizainas.
Šiame darbe pristatomi pagrindiniai magnetinių granulių principai ir charakteristikos, iliustruojant jų svarbą perjungiamojo maitinimo EMC, kad perjungiamojo maitinimo šaltinio gaminių dizaineriai turėtų daugiau ir geresnių pasirinkimų kuriant naujus gaminius.
1 ferito EMI slopinimo komponentai
Feritas yra ferimagnetinė medžiaga, turinti kubinę gardelės struktūrą. Jo gamybos procesas ir mechaninės savybės yra panašios į keramikos, o spalva yra pilkai juoda. Vienas iš EMI filtruose dažnai naudojamų magnetinių šerdies tipų yra ferito medžiaga, o daugelis gamintojų tiekia ferito medžiagas, specialiai naudojamas EMI slopinimui. Šiai medžiagai būdingi labai dideli aukšto dažnio nuostoliai. Ferito, naudojamo elektromagnetiniams trukdžiams slopinti, svarbiausi parametrai yra magnetinis pralaidumas μ ir soties magnetinio srauto tankis Bs. Magnetinis pralaidumas μ gali būti išreikštas kompleksiniu skaičiumi, realioji dalis sudaro induktyvumą, o įsivaizduojama dalis – nuostolius, kurie didėja didėjant dažniui. Todėl jo ekvivalentinė grandinė yra nuosekli grandinė, sudaryta iš induktoriaus L ir rezistoriaus R, tiek L, tiek R yra dažnio funkcijos. Kai viela praeina per šią ferito šerdį, susidariusios indukcinės varžos forma didėja didėjant dažniui, tačiau mechanizmas yra visiškai kitoks esant skirtingiems dažniams.
Žemo dažnio juostoje varža susideda iš induktyvinės induktoriaus reaktyvumo. Esant žemiems dažniams, R yra labai mažas, o magnetinės šerdies magnetinis pralaidumas yra didelis, todėl induktyvumas yra didelis, o L vaidina pagrindinį vaidmenį, o elektromagnetiniai trukdžiai atsispindi ir slopinami; ir šiuo metu magnetinės šerdies praradimas yra mažas, o visas prietaisas yra induktorius su mažais nuostoliais ir aukštomis Q charakteristikomis.
Aukšto dažnio juostoje varža susideda iš varžos komponentų. Didėjant dažniui, magnetinės šerdies magnetinis pralaidumas mažėja, dėl to mažėja induktoriaus induktyvumas ir sumažėja indukcinės reaktyvumo dedamoji. Tačiau šiuo metu magnetinės šerdies praradimas didėja, o pasipriešinimo komponentas didėja, todėl padidėja bendra varža. Kai aukšto dažnio signalas praeina per feritą, elektromagnetiniai trukdžiai sugeriami ir išsisklaido šilumos energijos pavidalu.
Ferito slopinimo komponentai plačiai naudojami spausdintinėse plokštėse, elektros linijose ir duomenų linijose. Jei prie spausdintinės plokštės maitinimo linijos įėjimo galo pridedamas ferito slopinimo elementas, aukšto dažnio trukdžiai gali būti išfiltruoti. Ferito magnetiniai žiedai arba magnetiniai karoliukai yra specialiai naudojami aukšto dažnio trikdžiams ir smaigalių trikdžiams signalinėse linijose ir elektros linijose slopinti. Jis taip pat turi galimybę sugerti elektrostatinės iškrovos impulsų trukdžius.
2. Magnetinių rutuliukų principas ir charakteristikos Kai srovė teka per laidą jo centrinėje skylėje, tai bus magnetinis takelis, cirkuliuojantis magnetinio rutuliuko viduje. EMI kontrolei skirti feritai turėtų būti suformuluoti taip, kad didžioji dalis magnetinio srauto būtų išsklaidyta kaip šiluma medžiagoje. Šį reiškinį galima modeliuoti nuosekliu induktoriaus ir rezistoriaus deriniu. kaip parodyta 2 paveiksle
Dviejų komponentų skaitinė vertė yra proporcinga magnetinio karoliuko ilgiui, o magnetinio rutuliuko ilgis turi didelę įtaką slopinimo efektui. Kuo ilgesnis magnetinio karoliuko ilgis, tuo geresnis slopinimo efektas. Kadangi signalo energija yra magnetiškai susieta su magnetine granule, induktoriaus reaktyvumas ir varža didėja didėjant dažniui. Magnetinės jungties efektyvumas priklauso nuo granulių medžiagos magnetinio pralaidumo oro atžvilgiu. Paprastai ferito medžiagos, sudarančios granulę, praradimas gali būti išreikštas kaip sudėtingas dydis, atsižvelgiant į jo pralaidumą orui.
Magnetinės medžiagos dažnai naudoja šį santykį nuostolių kampui apibūdinti. EMI slopinimo komponentams reikalingas didelis nuostolių kampas, o tai reiškia, kad didžioji dalis trukdžių bus išsklaidyta ir neatsispindės. Šiuolaikinė plati ferito medžiagų įvairovė suteikia dizaineriams daugybę ferito rutuliukų panaudojimo įvairiems tikslams galimybių.
3 Magnetinių karoliukų panaudojimas
3.1 Smailių slopintuvas
Didžiausias perjungiamojo maitinimo trūkumas yra tai, kad lengva generuoti triukšmą ir trukdžius, o tai yra pagrindinė techninė problema, kuri ilgą laiką kankina perjungimo maitinimo šaltinį. Perjungiamojo maitinimo šaltinio triukšmą daugiausia sukelia greitai besikeičianti aukštos įtampos perjungimo ir impulsinio trumpojo jungimo srovė perjungimo maitinimo vamzdyje ir perjungimo lygintuvo dioduose. Todėl vienas iš pagrindinių triukšmo slopinimo būdų yra naudoti efektyvius komponentus, siekiant juos sumažinti iki minimumo. Netiesinis prisotintas induktyvumas paprastai naudojamas slopinti atvirkštinės atkūrimo srovės smailę, šiuo metu geležies šerdies darbinė būsena yra nuo -Bs iki plius Bs. Atsižvelgiant į didelio magnetinio pralaidumo ir sočiųjų itin mažų induktyvumo elementų-magnetinių rutuliukų konsistenciją ant perjungiamojo maitinimo šaltinio laisvos eigos diodo, sukuriamas smaigalio slopintuvas, naudojamas slopinti didžiausią srovę, susidarančią perjungiant maitinimo šaltinį.
Spike slopintuvų veikimo charakteristikos
(1) Pradinės ir didžiausios induktyvumo vertės yra labai didelės, o likutinės induktyvumo vertės netiesiškumas po prisotinimo yra labai neakivaizdus. Prijungus prie grandinės nuosekliai, srovė pakyla ir akimirksniu parodo didelę varžą, kurią galima naudoti kaip vadinamąjį momentinės varžos elementą.
(2) Jis tinkamas apsaugoti nuo trumpalaikės srovės didžiausio signalo puslaidininkių grandinėje, smūginio sužadinimo grandinėje ir lydinčiam triukšmui, taip pat gali apsaugoti nuo puslaidininkio pažeidimo.
(3) Liekamoji induktyvumas yra labai mažas, o nuostoliai yra labai maži, kai grandinė yra stabili.
(4) Tai visiškai skiriasi nuo ferito gaminių veikimo.
(5) Kol išvengiama magnetinio prisotinimo, jis gali būti naudojamas kaip itin mažas, didelės induktyvumo induktyvumo elementas.
(6) Jis gali būti naudojamas kaip didelio našumo prisotinta geležies šerdis su mažais nuostoliais, kad būtų galima valdyti ir generuoti virpesius.
Smaigalių slopintuvas reikalauja, kad geležies šerdies medžiaga turėtų didesnį magnetinį laidumą, kad būtų pasiektas didesnis induktyvumas; kai didelis kvadratinis santykis gali prisotinti geležies šerdį, induktyvumas turėtų greitai sumažėti iki nulio; priverstinė jėga yra maža, o aukšto dažnio nuostoliai yra maži, kitaip geležies šerdies šilumos išsklaidymas neveiks normaliai.
Smailių slopintuvo paskirtis iš esmės yra sumažinti srovės didžiausią signalą; sumažinti srovės piko signalo keliamą triukšmą; užkirsti kelią perjungimo tranzistoriaus pažeidimui; sumažinti perjungimo tranzistoriaus perjungimo nuostolius; kompensuoti diodo atkūrimo charakteristikas; užkirsti kelią aukšto dažnio impulsinės srovės smūgio sužadinimui. Naudokite kaip itin mažą linijinį filtrą ir pan.
3.2 Taikymas filtre a) Tyrimo rezultatas be magnetinių rutuliukų b) Bandymo su magnetiniais rutuliais rezultatas c) Bandymo su L linija ir magnetiniais rutuliais rezultatas d) Bandymo rezultatas su N linija ir magnetiniais rutuliais
Įprasti filtrai yra sudaryti iš be nuostolių reaktyvių komponentų. Jo funkcija grandinėje yra atspindėti stabdymo dažnį atgal į signalo šaltinį, todėl tokio tipo filtras dar vadinamas atspindžio filtru. Kai atspindžio filtras nesutampa su signalo šaltinio varža, dalis energijos atsispindės atgal į signalo šaltinį, todėl trikdžių lygis padidės. Siekiant išspręsti šį trūkumą, filtro įeinančioje linijoje gali būti naudojamas ferito magnetinis žiedas arba magnetinio rutuliuko įvorė, o aukšto dažnio signalo sūkurinės srovės praradimas dėl ferito žiedo arba magnetinio rutuliuko gali būti naudojamas konvertuoti aukštą -dažnio komponentas į šilumos nuostolius. Todėl magnetinis žiedas ir magnetiniai karoliukai iš tikrųjų sugeria aukšto dažnio komponentus, todėl kartais jie vadinami sugerties filtrais.
Skirtingi ferito slopinimo komponentai turi skirtingus optimalius slopinimo dažnių diapazonus. Paprastai kuo didesnis pralaidumas, tuo mažesnis slopinamas dažnis. Be to, kuo didesnis ferito tūris, tuo geresnis slopinimo efektas. Kai tūris yra pastovus, ilga ir plona forma turi geresnį slopinimo efektą nei trumpa ir stora, o kuo mažesnis vidinis skersmuo, tuo geresnis slopinimo efektas. Tačiau nuolatinės arba kintamosios srovės įstrižainės srovės atveju vis dar išlieka ferito prisotinimo problema. Kuo didesnis slopinimo elemento skerspjūvis, tuo mažesnė tikimybė, kad jis bus prisotintas, ir tuo didesnę poslinkio srovę jis gali atlaikyti.
Remiantis aukščiau pateiktais principais ir magnetinių karoliukų charakteristikomis, jis taikomas perjungiamojo maitinimo šaltinio filtrui, o poveikis yra akivaizdus. Iš bandymo rezultatų matyti, kad magnetinių karoliukų panaudojimas gerokai skiriasi. Iš eksperimentinių rezultatų matyti, kad dėl perjungiamojo maitinimo grandinės, konstrukcijos išdėstymo ir galios įtakos kartais jis turi gerą slopinimo efektą diferencialinio režimo trikdžiams, kartais turi gerą slopinimo efektą bendrojo režimo trukdžiams, ir kartais jis neturi trukdžių slopinimo efekto, bet padidina triukšmo trukdžius.
Kai EMI sugeriantis magnetinis žiedas / magnetinis rutuliukas slopina diferencinio režimo trukdžius, per jį einanti srovė yra proporcinga jos tūriui, o disbalansas tarp šių dviejų sukelia prisotinimą, o tai sumažina komponento veikimą; slopinant bendrojo režimo trikdžius, du maitinimo šaltinio laidai (teigiami ir neigiami) vienu metu praeina per magnetinį žiedą, o efektyvusis signalas yra diferencinio režimo signalas. Kitas geresnis magnetinio žiedo naudojimo būdas – per magnetinį žiedą einantį laidą kelis kartus suvynioti, kad padidėtų induktyvumas. Remiantis elektromagnetinių trukdžių slopinimo principu, jo slopinimo efektas gali būti pagrįstai naudojamas.
Ferito slopinimo komponentai turi būti sumontuoti arti trukdžių šaltinio. Įvesties / išvesties grandinėje ji turėtų būti kuo arčiau ekranavimo korpuso įėjimo ir išleidimo angos. Naudojant absorbcinį filtrą, sudarytą iš ferito magnetinio žiedo ir magnetinių rutuliukų, reikia ne tik pasirinkti nuostolingas medžiagas, turinčias didelį magnetinį pralaidumą, bet ir atkreipti dėmesį į jo panaudojimo atvejus. Jų atsparumas aukšto dažnio komponentams linijoje yra nuo dešimties iki šimtų Ω, todėl jų vaidmuo didelės varžos grandinėse nėra akivaizdus. Priešingai, jis bus labai efektyvus mažos varžos grandinėse (pavyzdžiui, maitinimo paskirstymo, maitinimo ar radijo dažnio grandinėse).
