Penerapan Manik-manik Magnetik dalam Desain EMC Power Supply
EMC telah menjadi isu panas dan sulit dalam desain dan pembuatan elektronik saat ini. Masalah EMC dalam aplikasi praktis sangat rumit, dan tidak dapat diselesaikan dengan mengandalkan pengetahuan teoritis. Itu lebih tergantung pada pengalaman praktis insinyur elektronik. Untuk mengatasi masalah EMC produk elektronik dengan lebih baik, perlu mempertimbangkan masalah-masalah seperti pembumian, desain papan sirkuit dan PCB, desain kabel, dan desain pelindung.
Makalah ini memperkenalkan prinsip-prinsip dasar dan karakteristik manik-manik magnetik untuk mengilustrasikan pentingnya dalam mengganti EMC catu daya, untuk memberikan desainer produk catu daya switching dengan pilihan yang lebih banyak dan lebih baik saat merancang produk baru.
1 Komponen penekan interferensi elektromagnetik ferit
Ferit adalah bahan ferrimagnetik dengan struktur kisi kubik. Proses pembuatan dan sifat mekaniknya mirip dengan keramik, dan warnanya abu-abu kehitaman. Salah satu jenis inti magnetik yang sering digunakan dalam filter EMI adalah bahan ferit, dan banyak produsen menyediakan bahan ferit yang khusus digunakan untuk penekan EMI. Bahan ini ditandai dengan kerugian frekuensi tinggi yang sangat besar. Untuk ferit yang digunakan untuk menekan interferensi elektromagnetik, parameter kinerja yang paling penting adalah permeabilitas magnetik μ dan densitas fluks magnetik saturasi Bs. Permeabilitas magnetik μ dapat dinyatakan sebagai bilangan kompleks, bagian nyata merupakan induktansi, dan bagian imajiner mewakili kerugian, yang meningkat dengan meningkatnya frekuensi. Oleh karena itu, rangkaian ekuivalennya adalah rangkaian seri yang terdiri dari induktor L dan resistor R, baik L maupun R merupakan fungsi frekuensi. Ketika kawat melewati inti ferit ini, impedansi induktif yang terbentuk meningkat seiring dengan peningkatan frekuensi, tetapi mekanismenya sama sekali berbeda pada frekuensi yang berbeda.
Pada pita frekuensi rendah, impedansi terdiri dari reaktansi induktif dari induktansi. Pada frekuensi rendah, R sangat kecil, dan permeabilitas magnetik inti magnet tinggi, sehingga induktansinya besar, dan L memainkan peran utama, dan interferensi elektromagnetik dipantulkan dan ditekan; dan saat ini magnet Hilangnya inti kecil, dan seluruh perangkat adalah induktor dengan karakteristik kehilangan rendah dan Q tinggi. Induktor ini mudah menimbulkan resonansi. Oleh karena itu, pada pita frekuensi rendah, terkadang ada fenomena interferensi yang meningkat setelah menggunakan manik-manik ferit.
Pada pita frekuensi tinggi, impedansi terdiri dari komponen resistansi. Dengan meningkatnya frekuensi, permeabilitas magnetik inti magnet berkurang, mengakibatkan penurunan induktansi induktor, dan penurunan komponen reaktansi induktif. Namun, saat ini, hilangnya inti magnet meningkat dan komponen resistansi meningkat. , yang mengarah ke peningkatan impedansi total, ketika sinyal frekuensi tinggi melewati ferit, interferensi elektromagnetik diserap dan dihilangkan dalam bentuk energi panas.
Komponen penekan ferit banyak digunakan pada papan sirkuit tercetak, saluran listrik, dan saluran data. Jika elemen penekan ferit ditambahkan ke ujung saluran masuk saluran listrik papan cetak, interferensi frekuensi tinggi dapat disaring. Cincin magnet ferit atau manik-manik magnet secara khusus digunakan untuk menekan gangguan frekuensi tinggi dan gangguan lonjakan pada saluran sinyal dan saluran listrik. Ini juga memiliki kemampuan untuk menyerap gangguan pulsa pelepasan elektrostatik.
2. Prinsip dan karakteristik manik-manik magnet Ketika arus mengalir melalui kawat di lubang pusatnya, itu akan menjadi jalur magnet yang bersirkulasi di dalam manik-manik magnet. Ferit untuk kontrol EMI harus diformulasikan sedemikian rupa sehingga sebagian besar fluks magnet hilang sebagai panas dalam material. Fenomena ini dapat dimodelkan dengan kombinasi rangkaian induktor dan resistor. seperti yang ditunjukkan pada gambar 2
Nilai numerik dari kedua komponen sebanding dengan panjang manik magnet, dan panjang manik magnet memiliki dampak signifikan pada efek penekanan. Semakin panjang manik magnet, semakin baik efek penekanannya. Karena energi sinyal digabungkan secara magnetis ke manik magnet, reaktansi dan resistansi induktor meningkat dengan meningkatnya frekuensi. Efisiensi kopling magnetik tergantung pada permeabilitas magnetik bahan manik relatif terhadap udara. Biasanya hilangnya bahan ferit yang membentuk manik dapat dinyatakan sebagai kuantitas kompleks melalui permeabilitas relatif terhadap udara.
Bahan magnetik sering menggunakan rasio ini untuk mengkarakterisasi sudut kerugian. Sudut kerugian yang besar diperlukan untuk komponen penekan EMI, yang berarti sebagian besar interferensi akan hilang dan tidak dipantulkan. Berbagai macam bahan ferit yang tersedia saat ini memberi para desainer berbagai pilihan untuk menggunakan manik-manik ferit dalam aplikasi yang berbeda.
3 Penerapan manik-manik magnetik
3.1 Penekan paku
Kerugian terbesar dari catu daya switching adalah mudahnya menimbulkan kebisingan dan interferensi, yang merupakan masalah teknis utama yang telah mengganggu catu daya switching untuk waktu yang lama. Kebisingan catu daya switching terutama disebabkan oleh sakelar tegangan tinggi yang berubah cepat dan arus hubung singkat pulsa dari tabung daya sakelar dan dioda penyearah sakelar. Oleh karena itu, menggunakan komponen yang efektif untuk membatasinya seminimal mungkin adalah salah satu metode utama untuk menekan kebisingan. Induktansi jenuh non-linier biasanya digunakan untuk menekan puncak arus pemulihan balik, saat ini keadaan kerja inti besi adalah dari -Bs ke plus Bs. Menurut konsistensi permeabilitas magnetik tinggi dan manik-manik elemen induktansi ultra-kecil yang dapat dijenuhkan pada dioda freewheeling dari catu daya switching, penekan lonjakan yang digunakan untuk menekan arus puncak yang dihasilkan ketika catu daya switching dikembangkan.
Karakteristik Kinerja Penekan Spike
(1) Nilai induktansi awal dan maksimum sangat tinggi, dan ketidaklinieran nilai induktansi sisa setelah saturasi sangat tidak jelas. Setelah dihubungkan secara seri ke rangkaian, arus naik dan menunjukkan impedansi tinggi secara instan, yang dapat digunakan sebagai apa yang disebut elemen impedansi sesaat.
(2) Sangat cocok untuk mencegah sinyal puncak arus transien di sirkuit semikonduktor, sirkuit eksitasi benturan dan kebisingan yang menyertainya, dan juga dapat mencegah kerusakan semikonduktor.
(3) Induktansi sisa sangat kecil, dan kerugiannya sangat kecil saat sirkuit stabil.
(4) Ini sangat berbeda dengan kinerja produk ferit.
(5) Selama saturasi magnetik dihindari, ini dapat digunakan sebagai elemen induktansi ultra-kecil dan induktansi tinggi.
(6) Ini dapat digunakan sebagai inti besi jenuh berkinerja tinggi dengan kehilangan rendah untuk mengontrol dan menghasilkan osilasi.
Penekan lonjakan membutuhkan bahan inti besi untuk memiliki permeabilitas magnetik yang lebih tinggi untuk mendapatkan induktansi yang lebih besar; rasio kuadrat tinggi dapat membuat inti besi jenuh, dan induktansi harus turun ke nol dengan cepat; gaya koersif kecil dan kehilangan frekuensi tinggi rendah, jika tidak, inti tidak akan berfungsi dengan baik karena pembuangan panas.
Tujuan penekan lonjakan terutama untuk mengurangi sinyal puncak saat ini; mengurangi kebisingan yang disebabkan oleh sinyal puncak saat ini; mencegah kerusakan transistor switching; mengurangi kerugian switching dari transistor switching; mengkompensasi karakteristik pemulihan dioda; mencegah eksitasi kejut arus pulsa frekuensi tinggi. Gunakan sebagai filter garis ultra-kecil, dll.
3.2 Aplikasi pada filter a) Hasil pengujian tanpa magnetic bead b) Hasil pengujian dengan magnetic bead c) Hasil pengujian dengan garis L dan magnetic bead d) Hasil pengujian dengan garis N dan magnetic bead
Filter biasa terdiri dari komponen reaktif lossless. Fungsinya dalam rangkaian adalah untuk memantulkan frekuensi stopband kembali ke sumber sinyal, sehingga filter jenis ini disebut juga filter refleksi. Ketika filter pantulan tidak sesuai dengan impedansi sumber sinyal, sebagian energi akan dipantulkan kembali ke sumber sinyal, sehingga meningkatkan tingkat interferensi. Untuk mengatasi kerugian ini, cincin magnetik ferit atau selongsong manik magnetik dapat digunakan pada jalur filter yang masuk, dan arus eddy yang hilang dari sinyal frekuensi tinggi oleh cincin ferit atau manik magnetik dapat digunakan untuk mengubah tinggi -Frekuensi komponen menjadi kehilangan panas. Oleh karena itu, cincin magnet dan manik-manik magnet benar-benar menyerap komponen frekuensi tinggi, sehingga kadang-kadang disebut filter absorpsi.
Komponen penekan ferit yang berbeda memiliki rentang frekuensi penekan optimal yang berbeda. Umumnya, semakin tinggi permeabilitas, semakin rendah frekuensi yang ditekan. Selain itu, semakin besar volume ferit, semakin baik efek penekanannya. Ketika volumenya konstan, bentuk panjang dan tipis memiliki efek penekanan yang lebih baik daripada yang pendek dan tebal, dan semakin kecil diameter bagian dalamnya, semakin baik efek penekanannya. Namun, dalam kasus arus bias DC atau AC, masih ada masalah kejenuhan ferit. Semakin besar penampang elemen penekan, semakin kecil kemungkinannya untuk jenuh, dan semakin besar arus bias yang dapat ditahannya.
Berdasarkan prinsip dan karakteristik manik-manik magnetik di atas, ini diterapkan pada filter catu daya switching, dan efeknya jelas. Dari hasil pengujian terlihat bahwa aplikasi magnetic bead berbeda nyata. Dapat dilihat dari hasil percobaan bahwa karena pengaruh rangkaian catu daya switching, tata letak struktural dan daya, kadang-kadang memiliki efek penekanan yang baik pada gangguan mode diferensial, kadang-kadang memiliki efek penekanan yang baik pada gangguan mode umum, dan kadang-kadang itu tidak dapat menekan gangguan Sebaliknya, itu akan meningkatkan gangguan kebisingan.
Ketika EMI menyerap cincin / manik magnetik menekan interferensi mode diferensial, nilai arus yang melewatinya sebanding dengan volumenya, dan ketidakseimbangan antara keduanya menyebabkan saturasi, yang mengurangi kinerja komponen; ketika menekan gangguan mode umum, sambungkan dua kabel (positif dan negatif) dari catu daya Lewati cincin magnet pada saat yang sama, sinyal efektif adalah sinyal mode diferensial, dan cincin magnet / manik magnet penyerap EMI tidak berpengaruh di atasnya, tetapi itu akan menunjukkan induktansi besar untuk sinyal mode umum. Metode lain yang lebih baik dalam penggunaan cincin magnet adalah membuat kawat yang melewati cincin magnet berulang kali dililitkan beberapa kali untuk meningkatkan induktansi. Menurut prinsip penekan interferensi elektromagnetiknya, efek penekannya dapat digunakan secara wajar.
Komponen penekan ferit harus dipasang dekat dengan sumber gangguan. Untuk sirkuit input/output, harus sedekat mungkin dengan inlet dan outlet casing pelindung. Untuk filter serapan yang terdiri dari cincin magnetik ferit dan manik-manik magnetik, selain memilih bahan lossy dengan permeabilitas magnetik tinggi, perhatian juga harus diberikan pada kesempatan aplikasinya. Resistensi mereka terhadap komponen frekuensi tinggi di saluran sekitar sepuluh hingga ratusan Ω, sehingga perannya dalam rangkaian impedansi tinggi tidak jelas. Sebaliknya, di sirkuit dengan impedansi rendah (seperti sirkuit distribusi daya, catu daya, atau frekuensi radio), penggunaan akan sangat efektif.
