Aplicación de perlas magnéticas en el diseño EMC de fuentes de alimentación conmutadas
Este artículo presenta las características de la perla de ferrita y, de acuerdo con sus características, analiza e introduce su importante aplicación en el diseño EMC de fuentes de alimentación conmutadas y proporciona resultados experimentales y de pruebas en filtros de líneas eléctricas.
La EMC se ha convertido en un tema candente y difícil en el diseño y la fabricación electrónicos actuales. El problema de EMC en la aplicación práctica es muy complicado y no se puede resolver basándose en conocimientos teóricos. 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 circuitos y placas PCB, el diseño de cables y el diseño de blindaje.
Este artículo presenta los principios y características básicos de las perlas magnéticas para ilustrar su importancia en la EMC de fuentes de alimentación conmutadas, con el fin de proporcionar a los diseñadores de productos de fuentes de alimentación conmutadas más y mejores opciones al diseñar nuevos productos.
1 componentes de supresión de EMI 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 utiliza a menudo en los filtros EMI es el material de ferrita, y muchos fabricantes proporcionan materiales de ferrita especialmente utilizados 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 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 a medida que aumenta la frecuencia, pero el mecanismo es completamente diferente en diferentes frecuencias.
En la banda de baja frecuencia, la impedancia se compone de la reactancia inductiva del inductor. A bajas frecuencias, R es muy pequeño y la permeabilidad magnética del núcleo magnético es alta, por lo que la inductancia es grande y L juega un papel importante y la interferencia electromagnética se refleja y suprime; Y en este momento, la pérdida del núcleo magnético es pequeña y todo el dispositivo es un inductor con bajas pérdidas y características de alta Q.
En la banda de alta frecuencia, la impedancia se compone de componentes de resistencia. A medida que aumenta la frecuencia, la permeabilidad magnética del núcleo magnético disminuye, lo que resulta en una disminución de la inductancia del inductor y una disminución del componente de reactancia inductiva. Sin embargo, en este momento, la pérdida del núcleo magnético aumenta y el componente de resistencia aumenta, lo que resulta en un aumento en la impedancia total. Cuando la señal de alta frecuencia pasa a través de la ferrita, la interferencia electromagnética se absorbe y se disipa en forma de energía térmica.
Los componentes de supresión de ferrita se utilizan ampliamente en placas de circuito impreso, líneas eléctricas y líneas de datos. Si se agrega un elemento de supresión de ferrita al extremo de entrada de la línea eléctrica 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 y picos de interferencia 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 cable en su orificio central, será una pista magnética que circulará 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 en forma de 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 cuenta magnética, y la longitud de la cuenta magnética tiene un impacto significativo en el efecto de supresión. Cuanto mayor sea la longitud de la cuenta magnética, mejor será el efecto de supresión. Dado que la energía de la señal está acoplada magnéticamente a la cuenta 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 con respecto al aire. Normalmente, la pérdida del material de ferrita que forma la perla se puede expresar como una cantidad compleja a través de su permeabilidad con respecto al aire.
Los materiales magnéticos suelen utilizar esta relación para caracterizar el ángulo de pérdida. Se requiere un ángulo de pérdida grande 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 hoy en día ofrece a los diseñadores una amplia gama de opciones para utilizar 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, lo cual es un problema técnico clave que ha afectado a la fuente de alimentación conmutada durante mucho tiempo. El ruido de la fuente de alimentación conmutada es causado principalmente por la conmutación de alto voltaje que cambia rápidamente y la corriente de cortocircuito de pulso del tubo de alimentación conmutada y el diodo rectificador de conmutación. Por tanto, utilizar componentes eficaces para limitarlos al mínimo es uno de los principales métodos para suprimir el ruido. La inductancia saturada no lineal se usa generalmente para suprimir el pico de corriente de recuperación inversa; en este momento, el estado de funcionamiento del núcleo de hierro es de -Bs a más Bs. De acuerdo con la consistencia de la alta permeabilidad magnética y las perlas magnéticas del elemento de inductancia ultrapequeña saturable en el diodo de rueda libre de la fuente de alimentación conmutada, se desarrolla 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 obvia. Después de conectarse en serie al circuito, la corriente aumenta y muestra una alta impedancia instantáneamente, lo que puede usarse como el llamado elemento de impedancia instantánea.
(2) Es adecuado para prevenir la señal máxima de corriente transitoria en el circuito semiconductor, el circuito de excitación por impacto y el ruido que lo acompaña, y también puede evitar que el semiconductor se dañe.
(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 ultrapequeño y de alta inductancia.
(6) Puede utilizarse como núcleo de hierro saturable de alto rendimiento con baja pérdida para controlar y generar oscilación.
El supresor de picos requiere que el material del núcleo de hierro tenga una mayor permeabilidad magnética para obtener una mayor inductancia; cuando la alta relación cuadrada puede saturar el núcleo de hierro, la inductancia debería caer a cero rápidamente; la fuerza coercitiva es pequeña y la pérdida de alta frecuencia es baja; de lo contrario, la disipación de calor del núcleo de hierro no funcionará normalmente.
El propósito del supresor de picos es principalmente reducir la señal máxima actual; reducir el ruido causado por la señal máxima actual; evitar daños al transistor de conmutación; reducir la pérdida de conmutación del transistor de conmutación; compensar las características de recuperación del diodo; Previene la excitación de choque de corriente de pulso de alta frecuencia. Úselo como filtro de línea ultrapequeño, etc.
3.2 Aplicación en 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 regreso 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 señal, parte de la energía se reflejará de regreso a la fuente de señal, lo que resultará en un aumento en el nivel de interferencia. Para resolver esta desventaja, se puede usar un anillo magnético de ferrita o un manguito de cuentas magnéticas en la línea entrante del filtro, y la pérdida de corriente parásita de la señal de alta frecuencia por el anillo de ferrita o la cuenta magnética se puede usar para convertir la alta -Componente de frecuencia en 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.
Los diferentes componentes de supresión de ferrita tienen diferentes rangos de frecuencia de supresión óptima. Generalmente, cuanto mayor es la permeabilidad, menor es la frecuencia suprimida. Además, cuanto mayor sea el volumen de ferrita, mejor será el efecto de supresión. Cuando el volumen es constante, la forma larga y delgada tiene mejor efecto de supresión que la corta y gruesa, y cuanto menor sea el diámetro interior, mejor será el efecto de supresión. Sin embargo, en el caso de corriente de polarización 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 será la corriente de polarización que puede soportar.
Basado en los principios y características anteriores de las perlas magnéticas, se aplica al filtro de la fuente de alimentación conmutada y el efecto es obvio. De los resultados de las pruebas se desprende que la aplicación de perlas magnéticas es significativamente diferente. Se puede ver en los resultados experimentales que debido a la influencia del circuito de alimentación conmutada, el diseño estructural y la potencia, a veces tiene un buen efecto de supresión de la interferencia del modo diferencial, a veces tiene un buen efecto de supresión de la interferencia del modo común. y a veces no tiene un efecto de supresión de la interferencia pero aumenta la interferencia de ruido.
Cuando el anillo magnético/cuenta magnética que absorbe EMI suprime la interferencia de modo diferencial, el valor de la corriente que lo atraviesa 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, los dos cables (positivo y negativo) de la fuente de alimentación pasan a través de un anillo magnético al mismo tiempo y la señal efectiva es una señal de modo diferencial. Otro método mejor en el uso del anillo magnético es hacer que el cable que pasa a través del anillo magnético se enrolle varias veces para aumentar la inductancia. Según su principio de supresión de interferencias electromagnéticas, su efecto de supresión puede utilizarse 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 anillo magnético de ferrita y perlas magnéticas, además de elegir materiales con pérdidas y 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 aproximadamente diez a cientos de Ω, por lo que su papel en circuitos de alta impedancia no es obvio. Por el contrario, será muy eficaz en circuitos de baja impedancia (como circuitos de distribución de energía, suministro de energía o radiofrecuencia).
