Aplicación de perlas magnéticas en el diseño EMC de fuentes de alimentación
EMC se ha convertido en un tema candente y difícil en el diseño y la fabricación electrónicos de hoy. El problema de EMC en la aplicación práctica es muy complicado y no se puede resolver basándose en el conocimiento teórico. Depende más de la experiencia práctica de los ingenieros electrónicos. Para resolver mejor el problema de EMC de los productos electrónicos, es necesario considerar cuestiones como la conexión a tierra, el diseño de la placa de circuitos y PCB, el diseño del cable y el diseño del blindaje.
Este documento presenta los principios básicos y las características de las perlas magnéticas para ilustrar su importancia en la fuente de alimentación conmutada EMC, con el fin de proporcionar a los diseñadores de productos de fuente de alimentación conmutada más y mejores opciones al diseñar nuevos productos.
1 Componentes de supresión de interferencias electromagnéticas de ferrita
La ferrita es un material ferrimagnético con una estructura reticular cúbica. Su proceso de fabricación y propiedades mecánicas son similares a las de la cerámica, y su color es gris-negro. Un tipo de núcleo magnético que se usa a menudo en los filtros EMI es el material de ferrita, y muchos fabricantes ofrecen materiales de ferrita que se usan especialmente para la supresión de EMI. Este material se caracteriza por pérdidas de alta frecuencia muy grandes. Para la ferrita utilizada para suprimir la interferencia electromagnética, los parámetros de rendimiento más importantes son la permeabilidad magnética μ y la densidad de flujo magnético de saturación Bs. La permeabilidad magnética μ se puede expresar como un número complejo, la parte real constituye la inductancia y la parte imaginaria representa la pérdida, que aumenta con el aumento de la frecuencia. Por lo tanto, su circuito equivalente es un circuito en serie compuesto por un inductor L y una resistencia R, tanto L como R son funciones de la frecuencia. Cuando el cable pasa a través de este núcleo de ferrita, la impedancia inductiva formada aumenta de forma a medida que aumenta la frecuencia, pero el mecanismo es completamente diferente a diferentes frecuencias.
En la banda de baja frecuencia, la impedancia está compuesta por la reactancia inductiva de la inductancia. A bajas frecuencias, R es muy pequeño y la permeabilidad magnética del núcleo magnético es alta, por lo que la inductancia es grande, L juega un papel importante y la interferencia electromagnética se refleja y suprime; y en este momento el magnético La pérdida del núcleo es pequeña, y todo el dispositivo es un inductor con características de baja pérdida y alto Q. Este inductor es fácil de causar resonancia. Por lo tanto, en la banda de baja frecuencia, a veces puede haber un fenómeno de interferencia mejorada después de usar perlas de ferrita.
En la banda de alta frecuencia, la impedancia está compuesta por componentes de resistencia. A medida que aumenta la frecuencia, disminuye la permeabilidad magnética del núcleo magnético, lo que da como resultado una disminución de la inductancia del inductor y una disminución del componente de reactancia inductiva. Sin embargo, en este momento, aumenta la pérdida del núcleo magnético y aumenta el componente de resistencia. , lo que lleva a un aumento en la impedancia total, cuando la señal de alta frecuencia pasa a través de la ferrita, la interferencia electromagnética es absorbida y disipada en forma de energía térmica.
Los componentes de supresión de ferrita se utilizan ampliamente en placas de circuitos impresos, líneas eléctricas y líneas de datos. Si se agrega un elemento de supresión de ferrita al extremo de entrada de la línea de alimentación de la placa impresa, se pueden filtrar las interferencias de alta frecuencia. Los anillos magnéticos de ferrita o perlas magnéticas se utilizan especialmente para suprimir interferencias de alta frecuencia e interferencias de picos en líneas de señal y líneas eléctricas. También tiene la capacidad de absorber interferencias de pulsos de descargas electrostáticas.
2. El principio y características de las perlas magnéticas Cuando la corriente fluye a través del alambre en su orificio central, será una pista magnética la que circule dentro de la perla magnética. Las ferritas para el control de EMI deben formularse de manera que la mayor parte del flujo magnético se disipe como calor en el material. Este fenómeno se puede modelar mediante una combinación en serie de un inductor y una resistencia. como se muestra en la imagen 2
El valor numérico de los dos componentes es proporcional a la longitud de la perla magnética, y la longitud de la perla magnética tiene un impacto significativo en el efecto de supresión. Cuanto mayor sea la longitud de la perla magnética, mejor será el efecto de supresión. Dado que la energía de la señal está acoplada magnéticamente a la perla magnética, la reactancia y la resistencia del inductor aumentan con el aumento de la frecuencia. La eficacia del acoplamiento magnético depende de la permeabilidad magnética del material de la perla en relación con el aire. Por lo general, la pérdida del material de ferrita que forma la perla se puede expresar como una cantidad compleja a través de su permeabilidad relativa al aire.
Los materiales magnéticos suelen utilizar esta relación para caracterizar el ángulo de pérdida. Se requiere un gran ángulo de pérdida para los componentes de supresión de EMI, lo que significa que la mayor parte de la interferencia se disipará y no se reflejará. La amplia variedad de materiales de ferrita disponibles en la actualidad brinda a los diseñadores una amplia gama de opciones para usar perlas de ferrita en diferentes aplicaciones.
3 Aplicación de perlas magnéticas
3.1 Supresor de picos
La mayor desventaja de la fuente de alimentación conmutada es que es fácil generar ruido e interferencias, que es un problema técnico clave que ha afectado a la fuente de alimentación conmutada durante mucho tiempo. El ruido de la fuente de alimentación de conmutación es causado principalmente por la conmutación de alto voltaje que cambia rápidamente y la corriente de cortocircuito de pulso del tubo de alimentación de conmutación y el diodo rectificador de conmutación. Por lo tanto, utilizar componentes efectivos para limitarlos al mínimo es uno de los principales métodos para suprimir el ruido. La inductancia saturada no lineal generalmente se usa para suprimir el pico de corriente de recuperación inversa, en este momento el estado de trabajo del núcleo de hierro es de -Bs a más Bs. De acuerdo con la consistencia de la alta permeabilidad magnética y las cuentas magnéticas del elemento de inductancia ultrapequeña saturable en el diodo de rueda libre de la fuente de alimentación conmutada, se desarrolló un supresor de picos utilizado para suprimir la corriente máxima generada cuando se conmuta la fuente de alimentación conmutada.
Características de rendimiento de los supresores de picos
(1) Los valores de inductancia inicial y máxima son muy altos, y la no linealidad del valor de inductancia residual después de la saturación es extremadamente discreta. Después de conectarse en serie al circuito, la corriente aumenta y muestra instantáneamente una alta impedancia, que puede usarse como el llamado elemento de impedancia instantánea.
(2) Es adecuado para prevenir la señal pico de corriente transitoria en el circuito del semiconductor, el circuito de excitación por impacto y el ruido que lo acompaña, y también puede evitar que se dañe el semiconductor.
(3) La inductancia residual es extremadamente pequeña y la pérdida es muy pequeña cuando el circuito es estable.
(4) Es completamente diferente del rendimiento de los productos de ferrita.
(5) Siempre que se evite la saturación magnética, se puede utilizar como un elemento de inductancia de alta inductancia ultrapequeño.
(6) Se puede utilizar como núcleo de hierro saturable de alto rendimiento con baja pérdida para controlar y generar oscilaciones.
El supresor de picos requiere que el material del núcleo de hierro tenga una mayor permeabilidad magnética para obtener una mayor inductancia; la alta relación cuadrática puede saturar el núcleo de hierro y la inductancia debería caer a cero rápidamente; la fuerza coercitiva es pequeña y la pérdida de alta frecuencia es baja, de lo contrario, el núcleo no funcionará correctamente debido a la disipación de calor.
El propósito del supresor de picos es principalmente reducir la señal pico actual; reducir el ruido causado por la señal de pico actual; evitar el daño del transistor de conmutación; reducir la pérdida de conmutación del transistor de conmutación; compensar las características de recuperación del diodo; evitar la excitación de choque de corriente de pulso de alta frecuencia. Úselo como un filtro de línea ultrapequeño, etc.
3.2 Aplicación en el filtro a) Resultado de la prueba sin perlas magnéticas b) Resultado de la prueba con perlas magnéticas c) Resultado de la prueba con línea L y perlas magnéticas d) Resultado de la prueba con línea N y perlas magnéticas
Los filtros ordinarios se componen de componentes reactivos sin pérdidas. Su función en el circuito es reflejar la frecuencia de la banda de parada de vuelta a la fuente de la señal, por lo que este tipo de filtro también se denomina filtro de reflexión. Cuando el filtro de reflexión no coincide con la impedancia de la fuente de la señal, parte de la energía se reflejará de regreso a la fuente de la señal, lo que dará como resultado un aumento en el nivel de interferencia. Para resolver esta desventaja, se puede usar un anillo magnético de ferrita o un manguito de perlas magnéticas en la línea de entrada del filtro, y la pérdida de corriente parásita de la señal de alta frecuencia por el anillo de ferrita o la perla magnética se puede usar para convertir la alta -componente de frecuencia en la pérdida de calor. Por lo tanto, el anillo magnético y las perlas magnéticas en realidad absorben componentes de alta frecuencia, por lo que a veces se les llama filtros de absorción.
Diferentes componentes de supresión de ferrita tienen diferentes rangos de frecuencia de supresión óptimos. Generalmente, cuanto mayor es la permeabilidad, menor es la frecuencia suprimida. Además, cuanto mayor sea el volumen de la ferrita, mejor será el efecto de supresión. Cuando el volumen es constante, la forma larga y delgada tiene un mejor efecto de supresión que la corta y gruesa, y cuanto menor es el diámetro interior, mejor es el efecto de supresión. Sin embargo, en el caso de corriente de polarización de CC o CA, todavía existe el problema de la saturación de ferrita. Cuanto mayor sea la sección transversal del elemento de supresión, es menos probable que se sature y mayor sea la corriente de polarización que puede soportar.
Basado en los principios y características anteriores de las cuentas magnéticas, se aplica al filtro de la fuente de alimentación conmutada y el efecto es obvio. A partir de los resultados de la prueba, se puede ver que la aplicación de perlas magnéticas es significativamente diferente. A partir de los resultados experimentales se puede ver que debido a la influencia del circuito de alimentación conmutado, el diseño estructural y la potencia, a veces tiene un buen efecto de supresión en la interferencia de modo diferencial, a veces tiene un buen efecto de supresión en la interferencia de modo común y, a veces, no puede suprimir la interferencia. Por el contrario, aumentará la interferencia de ruido.
Cuando el anillo/perla magnética absorbente de EMI suprime la interferencia de modo diferencial, el valor actual que pasa a través de él es proporcional a su volumen, y el desequilibrio entre los dos provoca la saturación, lo que reduce el rendimiento del componente; Al suprimir la interferencia de modo común, conecte los dos cables (positivo y negativo) de la fuente de alimentación Pase a través de un anillo magnético al mismo tiempo, la señal efectiva es una señal de modo diferencial, y el anillo magnético/perla magnética absorbente de EMI no tiene efecto en él, pero mostrará una gran inductancia para la señal de modo común. Otro método mejor en el uso del anillo magnético es hacer que el cable que pasa a través del anillo magnético se enrolle repetidamente varias veces para aumentar la inductancia. De acuerdo con su principio de supresión de la interferencia electromagnética, su efecto de supresión se puede utilizar razonablemente.
Los componentes de supresión de ferrita deben instalarse cerca de la fuente de interferencia. Para el circuito de entrada/salida, debe estar lo más cerca posible de la entrada y salida de la caja de blindaje. Para el filtro de absorción compuesto por un anillo magnético de ferrita y perlas magnéticas, además de elegir materiales con pérdida con alta permeabilidad magnética, también se debe prestar atención a sus ocasiones de aplicación. Su resistencia a los componentes de alta frecuencia en la línea es de diez a cientos de Ω, por lo que su papel en los circuitos de alta impedancia no es obvio. Por el contrario, en circuitos de baja impedancia (como circuitos de distribución de energía, fuente de alimentación o radiofrecuencia) el uso será muy efectivo.
