Применение магнитных шариков в конструкции ЭМС импульсных источников питания
В этой статье представлены характеристики ферритового шарика, а также в соответствии с его характеристиками анализируется и представляется его важное применение в конструкции импульсного источника питания по электромагнитной совместимости, а также приводятся результаты экспериментов и испытаний сетевого фильтра.
ЭМС стала актуальной и сложной проблемой в современном проектировании и производстве электроники. Проблема ЭМС в практическом применении очень сложна и ее невозможно решить, опираясь на теоретические знания. Это больше зависит от практического опыта инженеров-электронщиков. Чтобы лучше решить проблему ЭМС электронных изделий, необходимо учитывать такие вопросы, как заземление, конструкция схем и печатных плат, конструкция кабелей и конструкция экранирования.
В этом документе представлены основные принципы и характеристики магнитных шариков, чтобы проиллюстрировать их важность в обеспечении ЭМС импульсных источников питания, чтобы предоставить разработчикам импульсных источников питания больше и лучший выбор при разработке новых продуктов.
1 Ферритовые компоненты подавления электромагнитных помех
Феррит — ферримагнитный материал со структурой кубической решетки. Процесс изготовления и механические свойства аналогичны керамике, цвет — серо-черный. Одним из типов магнитных сердечников, часто используемых в фильтрах электромагнитных помех, является ферритовый материал, и многие производители предлагают ферритовые материалы, специально используемые для подавления электромагнитных помех. Этот материал характеризуется очень большими высокочастотными потерями. Для феррита, используемого для подавления электромагнитных помех, наиболее важными параметрами производительности являются магнитная проницаемость μ и плотность магнитного потока насыщения Bs. Магнитную проницаемость μ можно выразить в виде комплексного числа, действительная часть представляет собой индуктивность, а мнимая часть представляет собой потери, которые увеличиваются с увеличением частоты. Следовательно, его эквивалентная схема представляет собой последовательную цепь, состоящую из катушки индуктивности L и резистора R, причем оба L и R являются функциями частоты. Когда провод проходит через этот ферритовый сердечник, образующееся индуктивное сопротивление увеличивается по форме с увеличением частоты, но на разных частотах механизм совершенно разный.
В низкочастотном диапазоне импеданс состоит из индуктивного реактивного сопротивления дросселя. На низких частотах R очень мало, а магнитная проницаемость магнитного сердечника высока, поэтому индуктивность велика, и L играет главную роль, а электромагнитные помехи отражаются и подавляются; и в это время потери магнитного сердечника малы, а все устройство представляет собой дроссель с низкими потерями и высокими добротными характеристиками.
В диапазоне высоких частот импеданс состоит из составляющих сопротивления. С увеличением частоты магнитная проницаемость магнитопровода уменьшается, что приводит к уменьшению индуктивности дросселя и уменьшению индуктивной составляющей реактивного сопротивления. Однако в это время увеличиваются потери магнитопровода и увеличивается составляющая сопротивления, что приводит к увеличению общего импеданса. Когда высокочастотный сигнал проходит через феррит, электромагнитные помехи поглощаются и рассеиваются в виде тепловой энергии.
Компоненты ферритового подавления широко используются на печатных платах, линиях электропередачи и линиях передачи данных. Если на входном конце линии питания печатной платы добавить ферритовый элемент подавления, можно отфильтровать высокочастотные помехи. Ферритовые магнитные кольца или магнитные шарики специально используются для подавления высокочастотных помех и пиковых помех в сигнальных линиях и линиях электропередачи. Он также обладает способностью поглощать импульсные помехи электростатического разряда.
2. Принцип и характеристики магнитных бусин. Когда ток течет по проводу в его центральном отверстии, это будет магнитная дорожка, циркулирующая внутри магнитного шарика. Ферриты для контроля электромагнитных помех должны быть изготовлены таким образом, чтобы большая часть магнитного потока рассеивалась в виде тепла в материале. Это явление можно смоделировать последовательной комбинацией катушки индуктивности и резистора. как показано на рисунке 2
Численное значение двух компонентов пропорционально длине магнитного шарика, а длина магнитного шарика оказывает существенное влияние на эффект подавления. Чем больше длина магнитного шарика, тем лучше эффект подавления. Поскольку энергия сигнала магнитно связана с магнитным шариком, реактивное сопротивление и сопротивление индуктора увеличиваются с увеличением частоты. Эффективность магнитной муфты зависит от магнитной проницаемости материала борта относительно воздуха. Обычно потери ферритового материала, из которого состоит борт, можно выразить как комплексную величину через его проницаемость по отношению к воздуху.
Магнитные материалы часто используют это соотношение для характеристики угла потерь. Для компонентов подавления электромагнитных помех требуется большой угол потерь, а это означает, что большая часть помех будет рассеиваться, а не отражаться. Широкое разнообразие ферритовых материалов, доступных сегодня, предоставляет разработчикам широкий спектр возможностей использования ферритовых шариков в различных приложениях.
3 Применение магнитных шариков
3.1 Подавитель шипов
Самый большой недостаток импульсного источника питания заключается в том, что он легко генерирует шум и помехи, что является ключевой технической проблемой, которая долгое время преследовала импульсный источник питания. Шум импульсного источника питания в основном вызван быстро меняющимся высоковольтным коммутационным и импульсным током короткого замыкания импульсной силовой трубки и переключающего выпрямительного диода. Поэтому использование эффективных компонентов для сведения их к минимуму является одним из основных методов подавления шума. Нелинейная насыщенная индуктивность обычно используется для подавления пика обратного тока восстановления, в это время рабочее состояние железного сердечника от -Bs до плюс Bs. В соответствии с высокой магнитной проницаемостью и насыщающимися магнитными шариками со сверхмалой индуктивностью на обратном диоде импульсного источника питания разработан подавитель выбросов, используемый для подавления пикового тока, генерируемого при переключении импульсного источника питания.
Эксплуатационные характеристики подавителей выбросов
(1) Начальное и максимальное значения индуктивности очень велики, а нелинейность значения остаточной индуктивности после насыщения крайне неочевидна. После последовательного подключения к цепи ток мгновенно возрастает и демонстрирует высокий импеданс, который можно использовать в качестве так называемого элемента мгновенного сопротивления.
(2) Он подходит для предотвращения пикового сигнала переходного тока в полупроводниковой цепи, ударной цепи возбуждения и сопутствующего шума, а также может предотвратить повреждение полупроводника.
(3) Остаточная индуктивность чрезвычайно мала, и потери очень малы, когда цепь стабильна.
(4) Это полностью отличается от характеристик ферритовых изделий.
(5) Если избежать магнитного насыщения, его можно использовать в качестве сверхмалого индуктивного элемента с высокой индуктивностью.
(6) Его можно использовать в качестве высокопроизводительного насыщаемого железного сердечника с низкими потерями для управления и генерации колебаний.
Подавитель выбросов требует, чтобы материал железного сердечника имел более высокую магнитную проницаемость для получения большей индуктивности; когда большое квадратическое соотношение может насытить железный сердечник, индуктивность должна быстро упасть до нуля; коэрцитивная сила мала, а потери на высоких частотах низкие, в противном случае отвод тепла железным сердечником не будет работать нормально.
Целью подавителя выбросов является главным образом уменьшение пикового сигнала тока; уменьшить шум, вызванный пиковым сигналом тока; предотвратить повреждение коммутационного транзистора; уменьшить коммутационные потери переключающего транзистора; компенсировать восстановительные характеристики диода; предотвратить ударное возбуждение высокочастотным импульсным током. Использование в качестве сверхмалого линейного фильтра и т. д.
3.2 Применение в фильтре a) Результат испытания без магнитных шариков b) Результат испытания с магнитными шариками c) Результат испытания с линией L и магнитными шариками d) Результат испытания с линией N и магнитными шариками
Обычные фильтры состоят из реактивных компонентов без потерь. Его функция в схеме — отражение частоты полосы задерживания обратно к источнику сигнала, поэтому этот тип фильтра также называется фильтром отражения. Когда фильтр отражения не соответствует импедансу источника сигнала, часть энергии будет отражаться обратно к источнику сигнала, что приводит к увеличению уровня помех. Чтобы устранить этот недостаток, на входной линии фильтра можно использовать ферритовое магнитное кольцо или втулку с магнитным шариком, а для преобразования высокочастотного сигнала можно использовать потери вихревых токов высокочастотного сигнала с помощью ферритового кольца или магнитного шарика. -частотная составляющая тепловых потерь. Таким образом, магнитное кольцо и магнитные шарики фактически поглощают высокочастотные компоненты, поэтому их иногда называют абсорбционными фильтрами.
Различные ферритовые компоненты подавления имеют разные оптимальные диапазоны частот подавления. Как правило, чем выше проницаемость, тем ниже подавляемая частота. Кроме того, чем больше объем феррита, тем лучше эффект подавления. Когда объем постоянный, длинная и тонкая форма имеет лучший эффект подавления, чем короткая и толстая, и чем меньше внутренний диаметр, тем лучше эффект подавления. Однако в случае постоянного или переменного тока смещения все еще существует проблема насыщения феррита. Чем больше сечение подавляющего элемента, тем меньше вероятность его насыщения и тем больший ток смещения он может выдержать.
Основываясь на вышеуказанных принципах и характеристиках магнитных шариков, они применяются в фильтрах импульсного источника питания, и эффект очевиден. Из результатов испытаний видно, что применение магнитных шариков существенно отличается. Из экспериментальных результатов видно, что из-за влияния схемы импульсного источника питания, структурной схемы и мощности иногда он оказывает хороший эффект подавления дифференциальных помех, иногда он оказывает хороший эффект подавления синфазных помех. а иногда он не оказывает эффекта подавления помех, но увеличивает шумовые помехи.
Когда магнитное кольцо/магнитный шарик, поглощающий электромагнитные помехи, подавляет помехи дифференциального режима, значение тока, проходящего через него, пропорционально его объему, а дисбаланс между ними вызывает насыщение, что снижает производительность компонента; при подавлении синфазных помех два провода (положительный и отрицательный) источника питания проходят через магнитное кольцо одновременно, и эффективный сигнал является сигналом дифференциального режима. Другой лучший метод использования магнитного кольца — несколько раз намотать провод, проходящий через магнитное кольцо, для увеличения индуктивности. В соответствии с принципом подавления электромагнитных помех его эффект подавления можно разумно использовать.
Компоненты ферритового подавления следует устанавливать вблизи источника помех. Входная/выходная цепь должна располагаться как можно ближе к входу и выходу экранирующего корпуса. Для абсорбционного фильтра, состоящего из ферритового магнитного кольца и магнитных шариков, помимо выбора материалов с потерями и высокой магнитной проницаемостью, следует также обратить внимание на случаи его применения. Их сопротивление высокочастотным компонентам в линии составляет от десяти до сотен Ом, поэтому их роль в высокоомных цепях не очевидна. Напротив, он будет очень эффективен в цепях с низким импедансом (например, в распределительных цепях, источниках питания или радиочастотных цепях).
