Anahtarlamalı Güç Kaynağının EMC Tasarımında Manyetik Boncuk Uygulaması
Bu makale, ferrit boncukların özelliklerini tanıtmakta ve özelliklerine göre, anahtarlamalı güç kaynağının EMC tasarımındaki önemli uygulamasını analiz etmekte ve tanıtmakta ve güç hattı filtresinde deney ve test sonuçlarını vermektedir.
EMC, günümüzün elektronik tasarımı ve üretiminde sıcak ve zor bir konu haline geldi. Pratik uygulamada EMC sorunu oldukça karmaşıktır ve teorik bilgiye dayanılarak çözülemez. Bu daha çok elektronik mühendislerinin pratik deneyimine bağlıdır. Elektronik ürünlerin EMC sorununu daha iyi çözmek için topraklama, devre ve PCB kartı tasarımı, kablo tasarımı ve ekranlama tasarımı gibi konuların dikkate alınması gerekir.
Bu makale, anahtarlamalı güç kaynağı ürün tasarımcılarına yeni ürünler tasarlarken daha fazla ve daha iyi seçenekler sunmak amacıyla anahtarlamalı güç kaynağı EMC'sindeki önemini göstermek için manyetik boncukların temel prensiplerini ve özelliklerini tanıtmaktadır.
1 Ferrit EMI bastırma bileşenleri
Ferrit, kübik kafes yapısına sahip ferrimanyetik bir malzemedir. Üretim süreci ve mekanik özellikleri seramiğe benzer olup rengi gri-siyahtır. EMI filtrelerinde sıklıkla kullanılan manyetik çekirdek türlerinden biri ferrit malzemedir ve birçok üretici, EMI bastırma için özel olarak kullanılan ferrit malzemeleri sağlar. Bu malzeme çok büyük yüksek frekans kayıpları ile karakterize edilir. Elektromanyetik girişimi bastırmak için kullanılan ferrit için en önemli performans parametreleri manyetik geçirgenlik μ ve doygunluk manyetik akı yoğunluğu Bs'dir. Manyetik geçirgenlik μ karmaşık bir sayı olarak ifade edilebilir, gerçek kısım endüktansı oluşturur, sanal kısım ise frekansın artmasıyla artan kaybı temsil eder. Bu nedenle eşdeğer devresi, bir L indüktörü ve bir R direncinden oluşan bir seri devredir; hem L hem de R, frekansın fonksiyonlarıdır. Tel bu ferrit çekirdeğin içinden geçtiğinde, oluşan endüktif empedans, frekans arttıkça form olarak artar, ancak farklı frekanslarda mekanizma tamamen farklıdır.
Düşük frekans bandında empedans, indüktörün endüktif reaktansından oluşur. Düşük frekanslarda R çok küçüktür ve manyetik çekirdeğin manyetik geçirgenliği yüksektir, bu nedenle endüktans büyüktür ve L önemli bir rol oynar ve elektromanyetik girişim yansıtılır ve bastırılır; ve şu anda manyetik çekirdeğin kaybı küçüktür ve cihazın tamamı düşük kayıplı ve yüksek Q özelliklerine sahip bir indüktördür.
Yüksek frekans bandında empedans direnç bileşenlerinden oluşur. Frekans arttıkça manyetik çekirdeğin manyetik geçirgenliği azalır, bu da indüktörün endüktansında bir azalmaya ve endüktif reaktans bileşeninde bir azalmaya neden olur. Ancak bu sırada manyetik çekirdek kaybı artar ve direnç bileşeni artar, bu da toplam empedansın artmasına neden olur. Yüksek frekanslı sinyal ferritten geçtiğinde, elektromanyetik girişim emilir ve ısı enerjisi şeklinde dağıtılır.
Ferrit bastırma bileşenleri, baskılı devre kartlarında, güç hatlarında ve veri hatlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Baskılı kartın güç hattının giriş ucuna bir ferrit bastırma elemanı eklenirse, yüksek frekanslı girişim filtrelenebilir. Ferrit manyetik halkalar veya manyetik boncuklar, sinyal hatları ve güç hatları üzerindeki yüksek frekanslı paraziti ve ani paraziti bastırmak için özel olarak kullanılır. Aynı zamanda elektrostatik deşarj darbe girişimini absorbe etme özelliğine de sahiptir.
2. Manyetik boncukların prensibi ve özellikleri Akım, telin merkezi deliğinden aktığında, manyetik boncuk içinde dolaşan manyetik bir yol olacaktır. EMI kontrolü için ferritler, manyetik akının çoğunun malzeme içinde ısı olarak dağılacağı şekilde formüle edilmelidir. Bu olay, bir indüktör ve bir direncin seri birleşimi ile modellenebilir. resim 2'de gösterildiği gibi
İki bileşenin sayısal değeri manyetik boncuğun uzunluğuyla orantılıdır ve manyetik boncuğun uzunluğunun bastırma etkisi üzerinde önemli bir etkisi vardır. Manyetik boncuğun uzunluğu ne kadar uzun olursa, bastırma etkisi o kadar iyi olur. Sinyal enerjisi manyetik boncuğa manyetik olarak bağlı olduğundan, frekansın artmasıyla indüktörün reaktansı ve direnci artar. Manyetik bağlantının verimliliği, boncuk malzemesinin havaya göre manyetik geçirgenliğine bağlıdır. Genellikle boncuğu oluşturan ferrit malzemenin kaybı, havaya göre geçirgenliği nedeniyle karmaşık bir miktar olarak ifade edilebilir.
Manyetik malzemeler genellikle kayıp açısını karakterize etmek için bu oranı kullanır. EMI bastırma bileşenleri için büyük bir kayıp açısı gereklidir; bu, girişimin çoğunun dağılacağı ve yansıtılmayacağı anlamına gelir. Günümüzde mevcut olan çok çeşitli ferrit malzemeleri, tasarımcılara ferrit boncukları farklı uygulamalarda kullanma konusunda geniş bir seçenek yelpazesi sunmaktadır.
3 Manyetik boncukların uygulanması
3.1 Spike bastırıcı
Güç kaynağını değiştirmenin en büyük dezavantajı, güç kaynağını uzun süredir rahatsız eden önemli bir teknik sorun olan gürültü ve parazit üretmenin kolay olmasıdır. Anahtarlamalı güç kaynağının gürültüsü esas olarak anahtarlamalı güç tüpünün ve anahtarlamalı doğrultucu diyotun hızlı değişen yüksek voltajlı anahtarlama ve darbe kısa devre akımından kaynaklanır. Bu nedenle, bunları minimuma indirecek etkili bileşenler kullanmak, gürültüyü bastırmanın ana yöntemlerinden biridir. Doğrusal olmayan doymuş endüktans genellikle ters toparlanma akımı zirvesini bastırmak için kullanılır, bu sırada demir çekirdeğin çalışma durumu -B'lerden artı B'lere kadardır. Anahtarlamalı güç kaynağının serbest dönen diyotu üzerindeki yüksek manyetik geçirgenlik ve doyurulabilir ultra küçük endüktans elemanı-manyetik boncukların tutarlılığına göre, anahtarlamalı güç kaynağı anahtarlandığında oluşan tepe akımını bastırmak için kullanılan bir spike bastırıcı geliştirilmiştir.
Spike Bastırıcıların Performans Özellikleri
(1) Başlangıç ve maksimum endüktans değerleri çok yüksektir ve doyma sonrasında kalan endüktans değerinin doğrusal olmaması son derece belirgindir. Devreye seri bağlandıktan sonra akım anında yükselir ve yüksek empedans gösterir, bu da anlık empedans elemanı olarak adlandırılabilir.
(2) Yarı iletken devredeki geçici akım tepe sinyalini, darbe uyarma devresini ve buna eşlik eden gürültüyü önlemek için uygundur ve ayrıca yarı iletkenin hasar görmesini de önleyebilir.
(3) Artık endüktans son derece küçüktür ve devre kararlı olduğunda kayıp çok küçüktür.
(4) Ferrit ürünlerin performansından tamamen farklıdır.
(5) Manyetik doygunluktan kaçınıldığı sürece ultra küçük, yüksek endüktanslı bir endüktans elemanı olarak kullanılabilir.
(6) Salınımı kontrol etmek ve üretmek için düşük kayıplı, yüksek performanslı, doyurulabilir bir demir çekirdek olarak kullanılabilir.
Sivri uç bastırıcı, daha büyük bir endüktans elde etmek için demir çekirdek malzemesinin daha yüksek bir manyetik geçirgenliğe sahip olmasını gerektirir; yüksek kare oranı demir çekirdeği doyurabildiğinde, endüktansın hızla sıfıra düşmesi gerekir; zorlayıcı kuvvet küçüktür ve yüksek frekans kaybı düşüktür, aksi takdirde demir çekirdeğin ısı dağılımı normal şekilde çalışmayacaktır.
Ani artış bastırıcının amacı esas olarak mevcut tepe sinyalini azaltmaktır; mevcut tepe sinyalinin neden olduğu gürültüyü azaltmak; anahtarlama transistörünün hasar görmesini önlemek; anahtarlama transistörünün anahtarlama kaybını azaltmak; diyotun iyileşme özelliklerini telafi etmek; Yüksek frekanslı darbe akımı şok uyarımını önleyin. Ultra küçük hat filtresi vb. olarak kullanın.
3.2 Filtrede uygulama a) Manyetik boncuklar olmadan test sonucu b) Manyetik boncuklar ile test sonucu c) L çizgisi ve manyetik boncuklar ile test sonucu d) N çizgisi ve manyetik boncuklar ile test sonucu
Sıradan filtreler kayıpsız reaktif bileşenlerden oluşur. Devredeki işlevi durdurma bandı frekansını sinyal kaynağına geri yansıtmaktır, dolayısıyla bu tip filtreye yansıma filtresi de denir. Yansıma filtresi sinyal kaynağının empedansıyla eşleşmediğinde, enerjinin bir kısmı sinyal kaynağına geri yansıtılacak ve bu da girişim seviyesinin artmasına neden olacaktır. Bu dezavantajı çözmek için filtrenin gelen hattında ferrit manyetik halka veya manyetik boncuk manşonu kullanılabilir ve yüksek frekanslı sinyalin girdap akımı kaybının ferrit halka veya manyetik boncuk tarafından yüksek frekansa dönüştürülmesi için kullanılabilir. -frekans bileşeni ısı kaybına dönüşür. Bu nedenle, manyetik halka ve manyetik boncuklar aslında yüksek frekanslı bileşenleri emer, bu nedenle bunlara bazen emme filtreleri denir.
Farklı ferrit bastırma bileşenleri, farklı optimum bastırma frekans aralıklarına sahiptir. Genel olarak geçirgenlik ne kadar yüksek olursa bastırılan frekans da o kadar düşük olur. Ayrıca ferritin hacmi ne kadar büyük olursa bastırma etkisi de o kadar iyi olur. Hacim sabit olduğunda, uzun ve ince şekil, kısa ve kalın olana göre daha iyi bastırma etkisine sahiptir ve iç çap ne kadar küçük olursa, bastırma etkisi de o kadar iyi olur. Ancak DC veya AC öngerilim akımı durumunda ferrit doygunluğu sorunu hala mevcuttur. Bastırma elemanının kesiti ne kadar büyük olursa, doyma olasılığı o kadar az olur ve dayanabileceği öngerilim akımı da o kadar büyük olur.
Yukarıdaki prensiplere ve manyetik boncukların özelliklerine dayanarak, anahtarlama güç kaynağının filtresine uygulanır ve etkisi açıktır. Test sonuçlarından manyetik boncukların uygulamasının önemli ölçüde farklı olduğu görülebilir. Deneysel sonuçlardan, anahtarlamalı güç kaynağı devresinin, yapısal düzenin ve gücün etkisiyle bazen diferansiyel mod girişimi üzerinde iyi bir bastırma etkisine sahip olduğu, bazen de ortak mod girişimi üzerinde iyi bir bastırma etkisi olduğu görülebilir. ve bazen paraziti baskılayıcı bir etkisi olmamakla birlikte gürültü girişimini artırır.
EMI emici manyetik halka/manyetik boncuk diferansiyel mod girişimini bastırdığında, içinden geçen akım değeri hacmiyle orantılıdır ve ikisi arasındaki dengesizlik doygunluğa neden olur, bu da bileşenin performansını azaltır; Ortak mod girişimini bastırırken, güç kaynağının iki kablosu (pozitif ve negatif) aynı anda manyetik bir halkadan geçer ve etkili sinyal, diferansiyel mod sinyalidir. Manyetik halkanın kullanımında bir başka daha iyi yöntem, endüktansı arttırmak için manyetik halkadan geçen telin birkaç kez tekrar tekrar sarılmasını sağlamaktır. Elektromanyetik girişimin bastırılması prensibine göre, bastırma etkisi makul bir şekilde kullanılabilir.
Ferrit bastırma bileşenleri parazit kaynağının yakınına kurulmalıdır. Giriş/çıkış devresi için, ekranlama kasasının giriş ve çıkışına mümkün olduğu kadar yakın olmalıdır. Ferrit manyetik halka ve manyetik boncuklardan oluşan absorpsiyon filtresi için, manyetik geçirgenliği yüksek olan kayıplı malzemelerin seçilmesinin yanı sıra, uygulama durumlarına da dikkat edilmelidir. Hattaki yüksek frekanslı bileşenlere karşı dirençleri yaklaşık on ila yüzlerce Ω arasındadır, dolayısıyla yüksek empedanslı devrelerdeki rolü açık değildir. Aksine düşük empedanslı devrelerde (güç dağıtımı, güç kaynağı veya radyo frekans devreleri gibi) oldukça etkili olacaktır.
