Anwendung von Magnetperlen im EMV-Design von Schaltnetzteilen
Dieser Artikel stellt die Eigenschaften von Ferritperlen vor und analysiert und stellt entsprechend ihrer Eigenschaften ihre wichtige Anwendung im EMV-Design von Schaltnetzteilen vor und gibt die Versuchs- und Testergebnisse für Netzfilter an.
EMV ist in der heutigen Elektronikentwicklung und -fertigung zu einem heißen und schwierigen Thema geworden. Das EMV-Problem in der praktischen Anwendung ist sehr kompliziert und kann nicht durch theoretisches Wissen gelöst werden. Es kommt eher auf die praktische Erfahrung der Elektronikingenieure an. Um das Problem der EMV elektronischer Produkte besser lösen zu können, müssen Aspekte wie Erdung, Schaltungs- und Leiterplattendesign, Kabeldesign und Abschirmungsdesign berücksichtigt werden.
In diesem Artikel werden die Grundprinzipien und Eigenschaften von Magnetkügelchen vorgestellt, um deren Bedeutung für die EMV von Schaltnetzteilen zu veranschaulichen und Produktentwicklern von Schaltnetzteilen mehr und bessere Auswahlmöglichkeiten bei der Entwicklung neuer Produkte zu bieten.
1 Ferrit-EMI-Unterdrückungskomponenten
Ferrit ist ein ferrimagnetisches Material mit einer kubischen Gitterstruktur. Der Herstellungsprozess und die mechanischen Eigenschaften ähneln denen von Keramik, die Farbe ist grauschwarz. Eine Art Magnetkern, der häufig in EMI-Filtern verwendet wird, ist Ferritmaterial, und viele Hersteller bieten Ferritmaterialien an, die speziell für die EMI-Unterdrückung verwendet werden. Dieses Material zeichnet sich durch sehr große Hochfrequenzverluste aus. Für Ferrit zur Unterdrückung elektromagnetischer Störungen sind die magnetische Permeabilität μ und die magnetische Sättigungsflussdichte Bs die wichtigsten Leistungsparameter. Die magnetische Permeabilität μ kann als komplexe Zahl ausgedrückt werden, der Realteil stellt die Induktivität dar und der Imaginärteil stellt den Verlust dar, der mit zunehmender Frequenz zunimmt. Daher ist sein Ersatzschaltbild eine Reihenschaltung aus einer Induktivität L und einem Widerstand R, wobei sowohl L als auch R Funktionen der Frequenz sind. Wenn der Draht durch diesen Ferritkern verläuft, nimmt die Form der gebildeten induktiven Impedanz mit zunehmender Frequenz zu, der Mechanismus ist jedoch bei verschiedenen Frequenzen völlig anders.
Im Niederfrequenzband 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, sodass die Induktivität groß ist und L eine wichtige Rolle spielt und elektromagnetische Störungen reflektiert und unterdrückt werden. Zu diesem Zeitpunkt ist der Verlust des Magnetkerns gering und das gesamte Gerät ist ein Induktor mit geringen Verlusten und hohen Q-Eigenschaften.
Im Hochfrequenzband setzt sich die Impedanz aus Widerstandskomponenten zusammen. Mit zunehmender Frequenz nimmt die magnetische Permeabilität des Magnetkerns ab, was zu einer Verringerung der Induktivität des Induktors und einer Verringerung der induktiven Reaktanzkomponente führt. Zu diesem Zeitpunkt nimmt jedoch der Verlust des Magnetkerns zu und die Widerstandskomponente nimmt zu, was zu einer Erhöhung der Gesamtimpedanz führt. Beim Durchgang des Hochfrequenzsignals durch den Ferrit werden die elektromagnetischen Störungen absorbiert und in Form von Wärmeenergie abgegeben.
Ferrit-Unterdrückungskomponenten werden häufig auf Leiterplatten, Stromleitungen und Datenleitungen eingesetzt. Wenn am Eingangsende der Stromleitung der Leiterplatte ein Ferrit-Entstörelement hinzugefügt wird, können hochfrequente Störungen herausgefiltert werden. Ferrit-Magnetringe oder Magnetperlen werden speziell zur Unterdrückung hochfrequenter Störungen und Spitzenstörungen auf Signalleitungen und Stromleitungen eingesetzt. Es hat auch die Fähigkeit, Störungen durch elektrostatische Entladungsimpulse zu absorbieren.
2. Das Prinzip und die Eigenschaften von Magnetperlen Wenn der Strom durch den Draht in seinem zentralen Loch fließt, entsteht eine magnetische Spur, die im Inneren der Magnetperle zirkuliert. Ferrite zur EMI-Kontrolle sollten so formuliert sein, dass der größte Teil des magnetischen Flusses als Wärme im Material abgeleitet wird. Dieses Phänomen kann durch eine Reihenschaltung einer Induktivität und eines Widerstands modelliert werden. wie in Bild 2 gezeigt
Der Zahlenwert der beiden Komponenten ist proportional zur Länge der Magnetperle, und die Länge der Magnetperle hat einen erheblichen Einfluss auf die Unterdrückungswirkung. Je länger die Magnetperle ist, desto besser ist die Unterdrückungswirkung. Da die Signalenergie magnetisch an die Magnetperle gekoppelt ist, nehmen Reaktanz und Widerstand des Induktors mit zunehmender Frequenz zu. Die Effizienz der magnetischen Kopplung hängt von der magnetischen Permeabilität des Perlenmaterials gegenüber Luft ab. Normalerweise kann der Verlust des Ferritmaterials, aus dem die Perle besteht, als komplexe Größe durch seine Permeabilität gegenüber Luft ausgedrückt werden.
Magnetische Materialien verwenden dieses Verhältnis häufig zur Charakterisierung des Verlustwinkels. Für EMI-Unterdrückungskomponenten ist ein großer Verlustwinkel erforderlich, was bedeutet, dass der Großteil der Störungen abgeleitet und nicht reflektiert wird. Die große Auswahl an Ferritmaterialien, die heute verfügbar sind, bietet Designern zahlreiche Möglichkeiten für den Einsatz von Ferritperlen in verschiedenen Anwendungen.
3 Anwendung von Magnetperlen
3.1 Spike-Unterdrücker
Der größte Nachteil von Schaltnetzteilen besteht darin, dass es leicht zu Rauschen und Interferenzen kommt, was ein zentrales technisches Problem darstellt, das Schaltnetzteile seit langem plagt. Das Rauschen des Schaltnetzteils wird hauptsächlich durch den sich schnell ändernden Hochspannungsschalt- und Impulskurzschlussstrom der Schaltnetzröhre und der Schaltgleichrichterdiode verursacht. Daher ist der Einsatz wirksamer Komponenten, um sie auf ein Minimum zu beschränken, eine der wichtigsten Methoden zur Geräuschunterdrückung. Eine nichtlineare Sättigungsinduktivität wird üblicherweise zur Unterdrückung der Rückstromspitze verwendet. Zu diesem Zeitpunkt reicht der Arbeitszustand des Eisenkerns von -Bs bis plus Bs. Entsprechend der Konsistenz der hohen magnetischen Permeabilität und der sättigbaren ultrakleinen Induktivitätselement-Magnetkügelchen auf der Freilaufdiode des Schaltnetzteils wurde ein Spitzenunterdrücker entwickelt, der zur Unterdrückung des beim Schalten des Schaltnetzteils erzeugten Spitzenstroms verwendet wird.
Leistungsmerkmale von Spike-Unterdrückern
(1) Die anfänglichen und maximalen Induktivitätswerte sind sehr hoch und die Nichtlinearität des Restinduktivitätswerts nach der Sättigung ist äußerst nicht offensichtlich. Nach der Reihenschaltung mit dem Stromkreis steigt der Strom an und weist sofort eine hohe Impedanz auf, die als sogenanntes Momentanimpedanzelement verwendet werden kann.
(2) Es ist geeignet, das transiente Stromspitzensignal im Halbleiterschaltkreis, den Stoßerregungsschaltkreis und das damit einhergehende Rauschen zu verhindern, und es kann auch eine Beschädigung des Halbleiters verhindern.
(3) Die Restinduktivität ist extrem klein und der Verlust ist sehr gering, wenn der Stromkreis stabil ist.
(4) Es unterscheidet sich völlig von der Leistung von Ferritprodukten.
(5) Solange magnetische Sättigung vermieden wird, kann es als ultrakleines Induktivitätselement mit hoher Induktivität verwendet werden.
(6) Es kann als leistungsstarker sättigungsfähiger Eisenkern mit geringem Verlust zur Steuerung und Erzeugung von Schwingungen verwendet werden.
Der Spike-Unterdrücker erfordert, dass das Eisenkernmaterial eine höhere magnetische Permeabilität aufweist, um eine größere Induktivität zu erzielen. Wenn das hohe Quadratverhältnis den Eisenkern sättigen kann, sollte die Induktivität schnell auf Null fallen; Die Koerzitivkraft ist gering und der Hochfrequenzverlust gering, da sonst die Wärmeableitung des Eisenkerns nicht normal funktioniert.
Der Zweck des Spike-Unterdrückers besteht hauptsächlich darin, das Stromspitzensignal zu reduzieren. Reduzieren Sie das durch das aktuelle Spitzensignal verursachte Rauschen. verhindern Sie die Beschädigung des Schalttransistors; den Schaltverlust des Schalttransistors reduzieren; kompensieren Sie die Erholungseigenschaften der Diode; Verhindern Sie eine Stoßanregung durch hochfrequenten Impulsstrom. Verwendung als ultrakleiner Netzfilter usw.
3.2 Anwendung im Filter a) Testergebnis ohne Magnetkügelchen b) Testergebnis mit Magnetkügelchen c) Testergebnis mit L-Linie und Magnetkügelchen d) Testergebnis mit N-Linie und Magnetkügelchen
Gewöhnliche Filter bestehen aus verlustfreien reaktiven Komponenten. Seine Funktion in der Schaltung besteht darin, die Sperrfrequenz zurück zur Signalquelle zu reflektieren, daher wird dieser Filtertyp auch Reflexionsfilter genannt. Wenn der Reflexionsfilter nicht an die Impedanz der Signalquelle angepasst ist, wird ein Teil der Energie zur Signalquelle zurückreflektiert, was zu einer Erhöhung des Interferenzpegels führt. Um diesen Nachteil zu beheben, kann an der Eingangsleitung des Filters ein Ferrit-Magnetring oder eine Magnetperlenhülse verwendet werden, und der Wirbelstromverlust des Hochfrequenzsignals durch den Ferritring oder die Magnetperlenhülse kann zur Umwandlung des Hochfrequenzsignals genutzt werden -Frequenzkomponente in Wärmeverlust. Daher absorbieren der Magnetring und die Magnetkügelchen tatsächlich hochfrequente Komponenten und werden daher manchmal als Absorptionsfilter bezeichnet.
Verschiedene Ferrit-Unterdrückungskomponenten haben unterschiedliche optimale Unterdrückungsfrequenzbereiche. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Permeabilität, desto niedriger ist die unterdrückte Frequenz. Darüber hinaus ist die Unterdrückungswirkung umso besser, je größer das Volumen des Ferrits ist. Bei konstantem Volumen hat die lange und dünne Form eine bessere Unterdrückungswirkung als die kurze und dicke Form, und je kleiner der Innendurchmesser, desto besser ist die Unterdrückungswirkung. Allerdings besteht bei Gleich- oder Wechselstrom-Biasstrom immer noch das Problem der Ferritsättigung. Je größer der Querschnitt des Unterdrückungselements ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass es gesättigt wird, und desto größer ist der Vorspannungsstrom, dem es standhalten kann.
Basierend auf den oben genannten Prinzipien und Eigenschaften von Magnetperlen wird es auf den Filter von Schaltnetzteilen angewendet, und der Effekt ist offensichtlich. Aus den Testergebnissen lässt sich erkennen, dass sich die Anwendung von Magnetperlen deutlich unterscheidet. Aus den experimentellen Ergebnissen ist ersichtlich, dass es aufgrund des Einflusses des Schaltnetzteils, des strukturellen Layouts und der Leistung manchmal eine gute Unterdrückungswirkung auf Gegentaktstörungen und manchmal eine gute Unterdrückungswirkung auf Gleichtaktstörungen hat. und manchmal hat es keine unterdrückende Wirkung auf Interferenzen, sondern erhöht die Rauschinterferenz.
Wenn der EMI-absorbierende Magnetring/die Magnetperle Gegentaktstörungen unterdrückt, ist der durch ihn fließende Stromwert proportional zu seinem Volumen, und das Ungleichgewicht zwischen beiden führt zu einer Sättigung, die die Leistung der Komponente verringert; Bei der Unterdrückung von Gleichtaktstörungen verlaufen die beiden Drähte (positiv und negativ) der Stromversorgung gleichzeitig durch einen Magnetring, und das effektive Signal ist ein Differenzmodussignal. Eine weitere bessere Methode bei der Verwendung des Magnetrings besteht darin, den durch den Magnetring verlaufenden Draht mehrmals zu wickeln, um die Induktivität zu erhöhen. Aufgrund seines Unterdrückungsprinzips elektromagnetischer Störungen kann seine Unterdrückungswirkung sinnvoll genutzt werden.
Ferrit-Entstörkomponenten sollten in der Nähe der Störquelle installiert werden. Der Eingangs-/Ausgangskreis sollte so nah wie möglich am Ein- und Ausgang des Abschirmgehäuses liegen. Für den Absorptionsfilter, der aus einem Ferrit-Magnetring und Magnetkügelchen besteht, sollte neben der Auswahl verlustbehafteter Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität auch auf die Einsatzmöglichkeiten geachtet werden. Ihr Widerstand gegenüber hochfrequenten Komponenten in der Leitung beträgt etwa zehn bis Hunderte von Ω, sodass ihre Rolle in Hochimpedanzschaltkreisen nicht offensichtlich ist. Im Gegenteil, es ist in Schaltkreisen mit niedriger Impedanz (wie Stromverteilung, Stromversorgung oder Hochfrequenzschaltkreisen) sehr effektiv.
