Penerapan Manik Magnetik dalam Desain EMC Switching Power Supply
Makalah ini memperkenalkan karakteristik manik ferit, dan sesuai dengan karakteristiknya, menganalisis dan memperkenalkan aplikasi pentingnya dalam desain EMC switching catu daya, dan memberikan hasil eksperimen dan pengujian pada filter saluran listrik.
EMC telah menjadi isu panas dan sulit dalam desain dan manufaktur elektronik saat ini. Masalah EMC dalam penerapan praktisnya sangat rumit dan tidak dapat diselesaikan hanya dengan mengandalkan pengetahuan teoritis. Hal ini lebih bergantung pada pengalaman praktis para insinyur elektronik. Untuk mengatasi masalah EMC produk elektronik dengan lebih baik, perlu mempertimbangkan isu-isu seperti grounding, desain sirkuit dan papan PCB, desain kabel, dan desain pelindung.
Makalah ini memperkenalkan prinsip-prinsip dasar dan karakteristik manik-manik magnetik untuk menggambarkan pentingnya dalam switching power supply EMC, untuk memberikan desainer produk switching power supply dengan pilihan yang lebih banyak dan lebih baik ketika merancang produk baru.
1 Komponen penekan EMI Ferit
Ferit adalah bahan ferimagnetik dengan struktur kisi kubik. Proses pembuatan dan sifat mekaniknya mirip dengan keramik, dan warnanya abu-abu kehitaman. Salah satu jenis inti magnet yang sering digunakan dalam filter EMI adalah bahan ferit, dan banyak produsen menyediakan bahan ferit yang khusus digunakan untuk menekan EMI. Bahan ini mempunyai ciri kerugian frekuensi tinggi yang sangat besar. Untuk ferit yang digunakan untuk menekan interferensi elektromagnetik, parameter kinerja yang paling penting adalah permeabilitas magnetik μ dan kepadatan fluks magnetik saturasi Bs. Permeabilitas magnetik μ dapat dinyatakan sebagai bilangan kompleks, bagian nyata merupakan induktansi, dan bagian imajiner mewakili kerugian, yang meningkat seiring dengan peningkatan frekuensi. Oleh karena itu, rangkaian ekivalennya adalah rangkaian seri yang terdiri dari induktor L dan resistor R, baik L maupun R merupakan fungsi frekuensi. Ketika kawat melewati inti ferit ini, bentuk impedansi induktif yang terbentuk meningkat seiring dengan peningkatan frekuensi, tetapi mekanismenya sangat berbeda pada frekuensi yang berbeda.
Pada pita frekuensi rendah, impedansi terdiri dari reaktansi induktif induktor. Pada frekuensi rendah, R sangat kecil, dan permeabilitas magnetik inti magnetik tinggi, sehingga induktansinya besar, dan L memainkan peran utama, dan interferensi elektromagnetik dipantulkan dan ditekan; dan saat ini, kehilangan inti magnetnya kecil, dan seluruh perangkat merupakan induktor dengan kehilangan rendah dan karakteristik Q tinggi.
Pada pita frekuensi tinggi, impedansi terdiri dari komponen resistansi. Dengan meningkatnya frekuensi, permeabilitas magnet inti magnet menurun, mengakibatkan penurunan induktansi induktor dan penurunan komponen reaktansi induktif. Namun, pada saat ini, hilangnya inti magnet meningkat dan komponen resistansi meningkat, sehingga impedansi total meningkat. 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 magnetik ferit atau manik-manik magnetik secara khusus digunakan untuk menekan interferensi frekuensi tinggi dan interferensi lonjakan pada saluran sinyal dan saluran listrik. Ia juga memiliki kemampuan untuk menyerap gangguan pulsa pelepasan elektrostatik.
2. Prinsip dan Karakteristik Manik Magnet Ketika arus mengalir melalui kawat di lubang tengahnya, maka akan menjadi jalur magnet yang bersirkulasi di dalam manik magnet. Ferit untuk pengendalian EMI harus diformulasikan sedemikian rupa sehingga sebagian besar fluks magnet hilang sebagai panas dalam material. Fenomena ini dapat dimodelkan dengan kombinasi seri induktor dan resistor. seperti yang ditunjukkan pada gambar 2
Nilai numerik kedua komponen sebanding dengan panjang manik magnet, dan panjang manik magnet mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap efek penekanan. Semakin panjang manik magnetnya, semakin baik efek penekanannya. Karena energi sinyal digabungkan secara magnetis ke manik magnet, reaktansi dan resistansi induktor meningkat seiring dengan peningkatan frekuensi. Efisiensi kopling magnetik bergantung pada permeabilitas magnetik bahan manik relatif terhadap udara. Biasanya hilangnya bahan ferit yang membentuk manik dapat dinyatakan sebagai besaran kompleks melalui permeabilitasnya 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. Beragamnya variasi bahan ferit yang tersedia saat ini memberikan para desainer berbagai pilihan untuk menggunakan manik-manik ferit dalam berbagai aplikasi.
3 Penerapan manik-manik magnetik
3.1 Penekan lonjakan
Kerugian terbesar dari peralihan catu daya adalah mudahnya menimbulkan kebisingan dan interferensi, yang merupakan masalah teknis utama yang telah lama menjangkiti peralihan catu daya. Kebisingan catu daya switching terutama disebabkan oleh peralihan tegangan tinggi yang cepat berubah dan arus hubung singkat pulsa dari tabung daya switching dan dioda penyearah switching. 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, pada saat ini keadaan kerja inti besi adalah dari -Bs hingga +Bs. Menurut konsistensi permeabilitas magnetik tinggi dan manik-manik magnetik elemen induktansi ultra-kecil jenuh pada dioda freewheeling dari catu daya switching, penekan lonjakan yang digunakan untuk menekan arus puncak yang dihasilkan ketika catu daya switching diaktifkan dikembangkan.
Karakteristik Kinerja Penekan Spike
(1) Nilai induktansi awal dan maksimum sangat tinggi, dan ketidaklinieran nilai induktansi sisa setelah saturasi sangat tidak terlihat. Setelah dihubungkan secara seri ke rangkaian, arus naik dan langsung menunjukkan impedansi tinggi, yang dapat digunakan sebagai apa yang disebut elemen impedansi sesaat.
(2) Sangat cocok untuk mencegah sinyal puncak arus transien pada rangkaian semikonduktor, rangkaian eksitasi benturan dan kebisingan yang menyertainya, dan juga dapat mencegah kerusakan semikonduktor.
(3) Induktansi sisa sangat kecil, dan kerugiannya sangat kecil ketika rangkaian stabil.
(4) Ini sangat berbeda dengan kinerja produk ferit.
(5) Selama saturasi magnetik dihindari, ia dapat digunakan sebagai elemen induktansi ultra-kecil dan induktansi tinggi.
(6) Dapat digunakan sebagai inti besi jenuh berkinerja tinggi dengan kehilangan rendah untuk mengontrol dan menghasilkan osilasi.
Penekan lonjakan memerlukan bahan inti besi yang memiliki permeabilitas magnet yang lebih tinggi untuk memperoleh induktansi yang lebih besar; ketika rasio kuadrat tinggi dapat menjenuhkan inti besi, induktansi akan turun ke nol dengan cepat; gaya koersifnya kecil dan kehilangan frekuensi tinggi rendah, jika tidak, pembuangan panas inti besi tidak akan bekerja secara normal.
Tujuan dari penekan lonjakan terutama untuk mengurangi sinyal puncak saat ini; mengurangi kebisingan yang disebabkan oleh sinyal puncak saat ini; mencegah kerusakan pada transistor switching; mengurangi hilangnya switching dari transistor switching; mengkompensasi karakteristik pemulihan dioda; mencegah eksitasi kejutan arus pulsa frekuensi tinggi. Gunakan sebagai filter garis ultra-kecil, dll.
3.2 Penerapan pada filter a) Hasil pengujian tanpa manik magnet b) Hasil pengujian dengan manik magnet c) Hasil pengujian dengan garis L dan manik magnet d) Hasil pengujian dengan garis N dan manik magnet
Filter biasa terdiri dari komponen reaktif lossless. Fungsinya pada rangkaian adalah memantulkan frekuensi stopband kembali ke sumber sinyal, sehingga filter jenis ini disebut juga dengan filter refleksi. Ketika filter refleksi tidak sesuai dengan impedansi sumber sinyal, sebagian energi akan dipantulkan kembali ke sumber sinyal, sehingga terjadi peningkatan tingkat interferensi. Untuk mengatasi kelemahan ini, cincin magnet ferit atau selongsong manik magnet dapat digunakan pada saluran masuk filter, dan hilangnya arus eddy dari sinyal frekuensi tinggi oleh cincin ferit atau manik magnet dapat digunakan untuk mengubah sinyal frekuensi tinggi. -komponen frekuensi menjadi kehilangan panas. Oleh karena itu, cincin magnet dan manik-manik magnet sebenarnya menyerap komponen frekuensi tinggi, sehingga kadang-kadang disebut filter serapan.
Komponen penekan ferit yang berbeda memiliki rentang frekuensi penekanan optimal yang berbeda. Secara umum, semakin tinggi permeabilitas, semakin rendah frekuensi yang ditekan. Selain itu, semakin besar volume ferit, semakin baik efek penekanannya. Ketika volumenya konstan, bentuk yang panjang dan tipis memiliki efek penekanan yang lebih baik daripada yang pendek dan tebal, dan semakin kecil diameter bagian dalam, semakin baik efek penekanannya. Namun, dalam kasus arus bias DC atau AC, masih terdapat masalah saturasi ferit. Semakin besar penampang elemen penekan, semakin kecil kemungkinan elemen tersebut jenuh, dan semakin besar arus bias yang dapat ditahannya.
Berdasarkan prinsip dan karakteristik manik-manik magnetik di atas, ini diterapkan pada filter peralihan catu daya, dan efeknya jelas. Dari hasil pengujian terlihat penerapan magnetic bead berbeda nyata. Dapat dilihat dari hasil percobaan bahwa karena pengaruh rangkaian catu daya switching, tata letak struktur, dan daya, terkadang memiliki efek penekanan yang baik pada interferensi mode diferensial, terkadang memiliki efek penekanan yang baik pada interferensi mode umum, dan terkadang tidak memberikan efek penekanan pada interferensi tetapi meningkatkan interferensi kebisingan.
Ketika cincin magnet/manik magnet penyerap EMI menekan interferensi mode diferensial, nilai arus yang melewatinya sebanding dengan volumenya, dan ketidakseimbangan antara keduanya menyebabkan saturasi, yang mengurangi kinerja komponen; ketika menekan interferensi mode umum, kedua kabel (positif dan negatif) dari catu daya melewati cincin magnetik pada saat yang sama, dan sinyal efektif adalah sinyal mode diferensial. Metode lain yang lebih baik dalam penggunaan cincin magnet adalah dengan membuat kawat yang melewati cincin magnet berulang kali dililitkan beberapa kali untuk meningkatkan induktansi. Menurut prinsip penekanan interferensi elektromagnetik, efek penekanannya dapat digunakan secara wajar.
Komponen penekan ferit harus dipasang dekat dengan sumber gangguan. Untuk rangkaian input/output, harus sedekat mungkin dengan saluran masuk dan keluar dari kotak pelindung. Untuk filter serapan yang terdiri dari cincin magnet ferit dan manik-manik magnet, selain memilih bahan lossy dengan permeabilitas magnet tinggi, perhatian juga harus diberikan pada kesempatan penerapannya. Resistansinya terhadap komponen frekuensi tinggi di saluran adalah sekitar sepuluh hingga ratusan Ω, sehingga perannya dalam rangkaian impedansi tinggi tidak jelas. Sebaliknya, ini akan sangat efektif pada rangkaian impedansi rendah (seperti distribusi daya, catu daya, atau rangkaian frekuensi radio).
