Anwendung von Magnetperlen im EMV-Design von Schaltnetzteilen
EMV-Probleme sind heutzutage zu einem heißen und herausfordernden Thema im elektronischen Design und in der Fertigung geworden. Das EMV-Problem in der Praxis ist sehr komplex und kann nicht allein durch theoretisches Wissen gelöst werden. Es stützt sich mehr auf die praktische Erfahrung von Elektronikingenieuren. Um das Problem der EMV in elektronischen Produkten besser anzugehen, müssen vor allem Erdung, Schaltungs- und Leiterplattendesign, Kabeldesign, Abschirmungsdesign und andere Aspekte berücksichtigt werden.
In diesem Artikel wird die Bedeutung von Magnetkügelchen im EMV-Aspekt von Schaltnetzteilen erläutert, indem deren Grundprinzipien und Eigenschaften vorgestellt werden, um den Produktdesignern von Schaltnetzteilen bei der Entwicklung neuer Produkte mehr und bessere Auswahlmöglichkeiten zu bieten.
1 Ferrit-Element zur Unterdrückung elektromagnetischer Störungen
Ferrit ist eine Art ferromagnetisches Material mit einer kubischen Gitterstruktur. Sein Herstellungsprozess und seine mechanischen Eigenschaften ähneln denen von Keramik, mit einer grauschwarzen Farbe. Eine Art Magnetkern, der üblicherweise in Filtern gegen elektromagnetische Störungen verwendet wird, ist Ferritmaterial, und viele Hersteller bieten Ferritmaterialien speziell für die Unterdrückung elektromagnetischer Störungen an. Charakteristisch für dieses Material ist sein Hochfrequenzverlust. Der wichtigste Leistungsparameter für Ferrit zur Unterdrückung elektromagnetischer Störungen ist die magnetische Permeabilität μ und die magnetische Sättigungsflussdichte Bs. Magnetische Permeabilität μ Sie kann als komplexe Zahl ausgedrückt werden, wobei der Realteil die Induktivität und der Imaginärteil den Verlust darstellt, der mit der Frequenz zunimmt. Daher ist sein Ersatzschaltbild eine Reihenschaltung aus Induktivität L und Widerstand R, die beide Funktionen der Frequenz sind. Wenn der Draht durch diesen Ferritkern verläuft, nimmt die gebildete Induktivitätsimpedanz formal mit zunehmender Frequenz zu, der Mechanismus ist jedoch bei unterschiedlichen Frequenzen völlig anders.
Im Niederfrequenzbereich setzt sich die Impedanz aus der induktiven Reaktanz der Induktivität zusammen. Bei niedrigen Frequenzen ist R sehr klein und die magnetische Permeabilität des Magnetkerns hoch. Daher ist die Induktivität groß und L spielt eine Hauptrolle. Elektromagnetische Störungen werden durch Reflexion unterdrückt; Zu diesem Zeitpunkt ist der Verlust des Magnetkerns relativ gering und das gesamte Gerät ist ein Induktor mit geringem Verlust und hoher Güte, der anfällig für Resonanzen ist. Daher kann es im Niederfrequenzbereich manchmal zu einer Verstärkung der Interferenzen nach der Verwendung von magnetischen Ferritperlen kommen.
Im Hochfrequenzbereich setzt sich die Impedanz aus Widerstandskomponenten zusammen. Mit zunehmender Frequenz nimmt die magnetische Permeabilität des Magnetkerns ab, was zu einer Verringerung der Induktivität und der Induktivitätskomponenten der Induktivität führt. Zu diesem Zeitpunkt nimmt jedoch der Verlust des Magnetkerns zu und die Widerstandskomponente nimmt zu, was zu einer Erhöhung der Gesamtimpedanz führt. Wenn das Hochfrequenzsignal den Ferrit passiert, werden elektromagnetische Störungen absorbiert und zur Ableitung in Wärmeenergie umgewandelt.
Ferrit-Unterdrückungskomponenten werden häufig in Leiterplatten, Stromleitungen und Datenleitungen eingesetzt. Durch den Einbau eines Ferrit-Entstörbauteils in den Stromleitungseingang der Leiterplatte können hochfrequente Störungen herausgefiltert werden. Ferrit-Magnetringe oder -Perlen wurden speziell zur Unterdrückung von Hochfrequenz- und Spitzenstörungen auf Signal- und Stromleitungen entwickelt und sind außerdem in der Lage, Störungen durch elektrostatische Entladungsimpulse zu absorbieren.
Das Prinzip und die Eigenschaften von Magnetperlen: Wenn Strom durch einen Draht im Kernloch fließt, entsteht eine magnetische Spur, die im Inneren der Magnetperle zirkuliert. Bei der Vorbereitung von Ferrit für die EMI-Kontrolle sollte es möglich sein, den größten Teil des magnetischen Flusses als Wärme im Material abzuleiten. Dieses Phänomen kann durch eine Reihenschaltung einer Induktivität und eines Widerstands simuliert werden.
Die Signalenergie wird magnetisch an die Magnetkügelchen gekoppelt, sodass die Reaktanz und der Widerstand des Induktors mit zunehmender Frequenz zunehmen. Die Effizienz der magnetischen Kopplung hängt von der Permeabilität des Magnetkügelchenmaterials im Verhältnis zu Luft ab. Der Verlust an Ferritmaterialien, aus denen Magnetkügelchen typischerweise bestehen, kann als komplexe Größe durch ihre relative Luftdurchlässigkeit ausgedrückt werden.
Magnetische Materialien werden häufig anhand dieses Verhältnisses durch den Verlustwinkel charakterisiert. Der Einsatz von EMI-Unterdrückungskomponenten erfordert einen großen Verlustwinkel, was bedeutet, dass die meisten Störungen ohne Reflexion abgeleitet werden. Die verschiedenen derzeit verfügbaren Ferritmaterialien bieten Designern vielfältige Möglichkeiten für den Einsatz von Magnetperlen in unterschiedlichen Situationen.
