Aplicação de esferas magnéticas em projeto EMC de fonte de alimentação chaveada
Este artigo apresenta as características do cordão de ferrite e, de acordo com suas características, analisa e apresenta sua importante aplicação no projeto EMC de fontes chaveadas e fornece resultados experimentais e de testes em filtros de linha de energia.
A EMC tornou-se uma questão importante e difícil no design e na fabricação de eletrônicos atuais. O problema de EMC na aplicação prática é muito complicado e não pode ser resolvido com base no conhecimento teórico. Depende mais da experiência prática dos engenheiros eletrônicos. Para melhor resolver o problema de EMC de produtos eletrônicos, é necessário considerar questões como aterramento, projeto de circuito e placa PCB, projeto de cabo e projeto de blindagem.
Este artigo apresenta os princípios básicos e as características dos grânulos magnéticos para ilustrar sua importância na EMC de fontes de alimentação chaveadas, a fim de fornecer aos projetistas de produtos de fontes de alimentação chaveadas mais e melhores opções ao projetar novos produtos.
1 Componentes de supressão EMI de ferrite
A ferrita é um material ferrimagnético com estrutura reticulada cúbica. Seu processo de fabricação e propriedades mecânicas são semelhantes aos da cerâmica e sua cor é preta acinzentada. Um tipo de núcleo magnético frequentemente usado em filtros EMI é o material de ferrita, e muitos fabricantes fornecem materiais de ferrite especialmente usados para supressão de EMI. Este material é caracterizado por perdas muito grandes em altas frequências. Para ferrita usada para suprimir interferência eletromagnética, os parâmetros de desempenho mais importantes são a permeabilidade magnética μ e a densidade de fluxo magnético de saturação Bs. A permeabilidade magnética μ pode ser expressa como um número complexo, a parte real constitui a indutância e a parte imaginária representa a perda, que aumenta com o aumento da frequência. Portanto, seu circuito equivalente é um circuito em série composto por um indutor L e um resistor R, tanto L quanto R são funções da frequência. Quando o fio passa através deste núcleo de ferrite, a impedância indutiva formada aumenta à medida que a frequência aumenta, mas o mecanismo é completamente diferente em frequências diferentes.
Na banda de baixas frequências, a impedância é composta pela reatância indutiva do indutor. Em baixas frequências, R é muito pequeno e a permeabilidade magnética do núcleo magnético é alta, então a indutância é grande e L desempenha um papel importante, e a interferência eletromagnética é refletida e suprimida; e neste momento, a perda do núcleo magnético é pequena, e todo o dispositivo é um indutor com baixa perda e altas características Q.
Na banda de alta frequência, a impedância é composta por componentes de resistência. À medida que a frequência aumenta, a permeabilidade magnética do núcleo magnético diminui, resultando numa diminuição na indutância do indutor e numa diminuição na componente de reatância indutiva. Porém, neste momento, a perda do núcleo magnético aumenta e a componente de resistência aumenta, resultando em um aumento na impedância total. Quando o sinal de alta frequência passa pela ferrita, a interferência eletromagnética é absorvida e dissipada na forma de energia térmica.
Os componentes de supressão de ferrite são amplamente utilizados em placas de circuito impresso, linhas de energia e linhas de dados. Se um elemento de supressão de ferrite for adicionado à extremidade de entrada da linha de alimentação da placa impressa, a interferência de alta frequência poderá ser filtrada. Anéis magnéticos de ferrite ou esferas magnéticas são especialmente usados para suprimir interferências de alta frequência e interferências de pico em linhas de sinal e linhas de energia. Ele também tem a capacidade de absorver interferência de pulso de descarga eletrostática.
2. O princípio e as características das esferas magnéticas Quando a corrente flui através do fio em seu orifício central, será uma trilha magnética que circula dentro da esfera magnética. As ferritas para controle EMI devem ser formuladas de forma que a maior parte do fluxo magnético seja dissipada como calor no material. Este fenômeno pode ser modelado por uma combinação em série de um indutor e um resistor. como mostrado na imagem 2
O valor numérico dos dois componentes é proporcional ao comprimento do cordão magnético, e o comprimento do cordão magnético tem um impacto significativo no efeito de supressão. Quanto maior o comprimento do cordão magnético, melhor será o efeito de supressão. Como a energia do sinal está acoplada magneticamente ao cordão magnético, a reatância e a resistência do indutor aumentam com o aumento da frequência. A eficiência do acoplamento magnético depende da permeabilidade magnética do material do cordão em relação ao ar. Normalmente a perda do material ferrítico que compõe o cordão pode ser expressa como uma quantidade complexa através da sua permeabilidade em relação ao ar.
Os materiais magnéticos costumam usar essa relação para caracterizar o ângulo de perda. Um grande ângulo de perda é necessário para componentes de supressão de EMI, o que significa que a maior parte da interferência será dissipada e não refletida. A grande variedade de materiais de ferrita disponíveis atualmente oferece aos projetistas uma ampla gama de opções para o uso de esferas de ferrite em diferentes aplicações.
3 Aplicação de esferas magnéticas
3.1 Supressor de pico
A maior desvantagem da fonte de alimentação chaveada é que ela é fácil de gerar ruído e interferência, o que é um problema técnico importante que tem atormentado a fonte de alimentação chaveada há muito tempo. O ruído da fonte de alimentação de comutação é causado principalmente pela comutação de alta tensão em rápida mudança e pela corrente de curto-circuito de pulso do tubo de alimentação de comutação e do diodo retificador de comutação. Portanto, usar componentes eficazes para limitá-los ao mínimo é um dos principais métodos de supressão de ruído. A indutância saturada não linear é geralmente usada para suprimir o pico da corrente de recuperação reversa, neste momento o estado de funcionamento do núcleo de ferro é de -Bs a mais Bs. De acordo com a consistência da alta permeabilidade magnética e esferas magnéticas de elemento de indutância ultrapequenas saturáveis no diodo de roda livre da fonte de alimentação de comutação, um supressor de pico usado para suprimir a corrente de pico gerada quando a fonte de alimentação de comutação é comutada é desenvolvido.
Características de desempenho de supressores de pico
(1) Os valores iniciais e máximos da indutância são muito altos e a não linearidade do valor da indutância residual após a saturação é extremamente pouco óbvia. Após ser conectada em série ao circuito, a corrente aumenta e apresenta alta impedância instantaneamente, o que pode ser utilizado como o chamado elemento de impedância instantânea.
(2) É adequado para evitar o sinal de pico de corrente transitório no circuito semicondutor, o circuito de excitação de impacto e o ruído que o acompanha, e também pode evitar que o semicondutor seja danificado.
(3) A indutância residual é extremamente pequena e a perda é muito pequena quando o circuito está estável.
(4) É completamente diferente do desempenho dos produtos de ferrite.
(5) Contanto que a saturação magnética seja evitada, ela pode ser usada como um elemento de indutância ultrapequeno e de alta indutância.
(6) Pode ser usado como núcleo de ferro saturável de alto desempenho com baixa perda para controlar e gerar oscilação.
O supressor de pico requer que o material do núcleo de ferro tenha uma maior permeabilidade magnética para obter uma indutância maior; quando a alta proporção quadrada pode saturar o núcleo de ferro, a indutância deve cair para zero rapidamente; a força coercitiva é pequena e a perda de alta frequência é baixa, caso contrário a dissipação de calor do núcleo de ferro não funcionará normalmente.
O objetivo do supressor de pico é principalmente reduzir o sinal de pico atual; reduzir o ruído causado pelo sinal de pico atual; evitar danos ao transistor de comutação; reduzir a perda de comutação do transistor de comutação; compensar as características de recuperação do diodo; evitar excitação de choque de corrente de pulso de alta frequência. Use como um filtro de linha ultrapequeno, etc.
3.2 Aplicação no filtro a) Resultado do teste sem esferas magnéticas b) Resultado do teste com esferas magnéticas c) Resultado do teste com linha L e esferas magnéticas d) Resultado do teste com linha N e esferas magnéticas
Os filtros comuns são compostos de componentes reativos sem perdas. Sua função no circuito é refletir a frequência da banda de parada de volta para a fonte do sinal, portanto esse tipo de filtro também é chamado de filtro de reflexão. Quando o filtro de reflexão não corresponde à impedância da fonte do sinal, parte da energia será refletida de volta para a fonte do sinal, resultando em um aumento no nível de interferência. Para resolver esta desvantagem, o anel magnético de ferrite ou a luva do cordão magnético podem ser usados na linha de entrada do filtro, e a perda de corrente parasita do sinal de alta frequência pelo anel de ferrite ou cordão magnético pode ser usada para converter o alto componente de frequência na perda de calor. Portanto, o anel magnético e as esferas magnéticas realmente absorvem componentes de alta frequência, por isso às vezes são chamados de filtros de absorção.
Diferentes componentes de supressão de ferrite têm diferentes faixas de frequência de supressão ideais. Geralmente, quanto maior a permeabilidade, menor a frequência suprimida. Além disso, quanto maior o volume da ferrita, melhor será o efeito de supressão. Quando o volume é constante, o formato longo e fino tem melhor efeito de supressão do que o curto e grosso, e quanto menor o diâmetro interno, melhor o efeito de supressão. Porém, no caso de corrente de polarização CC ou CA, ainda existe o problema de saturação de ferrita. Quanto maior a seção transversal do elemento de supressão, menor será a probabilidade de ele ficar saturado e maior será a corrente de polarização que ele pode suportar.
Com base nos princípios e características acima dos grânulos magnéticos, ele é aplicado ao filtro de comutação da fonte de alimentação e o efeito é óbvio. A partir dos resultados dos testes, pode-se observar que a aplicação de esferas magnéticas é significativamente diferente. Pode-se observar pelos resultados experimentais que, devido à influência do circuito de alimentação chaveada, do layout estrutural e da potência, às vezes tem um bom efeito de supressão na interferência de modo diferencial, às vezes tem um bom efeito de supressão na interferência de modo comum, e às vezes não tem efeito de supressão da interferência, mas aumenta a interferência do ruído.
Quando o anel magnético/esfera magnética absorvente EMI suprime a interferência do modo diferencial, o valor da corrente que passa por ele é proporcional ao seu volume, e o desequilíbrio entre os dois causa saturação, o que reduz o desempenho do componente; ao suprimir a interferência de modo comum, os dois fios (positivo e negativo) da fonte de alimentação passam através de um anel magnético ao mesmo tempo, e o sinal efetivo é um sinal de modo diferencial. Outro método melhor no uso do anel magnético é fazer com que o fio que passa pelo anel magnético seja enrolado repetidamente várias vezes para aumentar a indutância. De acordo com seu princípio de supressão de interferência eletromagnética, seu efeito de supressão pode ser razoavelmente utilizado.
Os componentes de supressão de ferrite devem ser instalados próximos à fonte de interferência. Para o circuito de entrada/saída, deve estar o mais próximo possível da entrada e saída da caixa de blindagem. Para o filtro de absorção composto por anel magnético de ferrite e esferas magnéticas, além de escolher materiais com perdas e alta permeabilidade magnética, deve-se atentar também para suas ocasiões de aplicação. Sua resistência aos componentes de alta frequência na linha é de cerca de dez a centenas de Ω, portanto seu papel em circuitos de alta impedância não é óbvio. Pelo contrário, será muito eficaz em circuitos de baixa impedância (tais como distribuição de energia, fonte de alimentação ou circuitos de radiofrequência).
