Ứng dụng hạt từ tính trong thiết kế cung cấp điện EMC
EMC đã trở thành một vấn đề nóng bỏng và nan giải trong thiết kế và chế tạo điện tử hiện nay. Vấn đề EMC trong ứng dụng thực tế rất phức tạp và không thể giải quyết bằng cách dựa vào kiến thức lý thuyết. Nó phụ thuộc nhiều hơn vào kinh nghiệm thực tế của các kỹ sư điện tử. Để giải quyết tốt hơn vấn đề EMC của các sản phẩm điện tử, cần xem xét các vấn đề như nối đất, thiết kế bảng mạch và PCB, thiết kế cáp và thiết kế che chắn.
Bài báo này giới thiệu các nguyên tắc và đặc điểm cơ bản của hạt từ tính để minh họa tầm quan trọng của nó trong EMC của bộ nguồn chuyển mạch, nhằm cung cấp cho các nhà thiết kế sản phẩm bộ nguồn chuyển mạch nhiều lựa chọn hơn khi thiết kế sản phẩm mới.
1 Các thành phần triệt tiêu nhiễu điện từ Ferrite
Ferit là vật liệu sắt từ có cấu trúc mạng tinh thể lập phương. Quy trình sản xuất và tính chất cơ học của nó tương tự như gốm sứ, và màu của nó là xám đen. Một loại lõi từ thường được sử dụng trong bộ lọc EMI là vật liệu ferit và nhiều nhà sản xuất cung cấp vật liệu ferit được sử dụng đặc biệt để triệt tiêu EMI. Vật liệu này được đặc trưng bởi tổn thất tần số cao rất lớn. Đối với ferit được sử dụng để khử nhiễu điện từ, các tham số hiệu suất quan trọng nhất là độ thấm từ μ và mật độ từ thông bão hòa Bs. Độ từ thẩm μ có thể được biểu thị dưới dạng một số phức, phần thực tạo thành độ tự cảm và phần ảo biểu thị sự mất mát, tăng khi tần số tăng. Do đó, mạch tương đương của nó là mạch nối tiếp gồm cuộn cảm L và điện trở R, cả L và R đều là hàm của tần số. Khi dây đi qua lõi ferit này, trở kháng cảm ứng được hình thành sẽ tăng lên khi tần số tăng, nhưng cơ chế hoàn toàn khác nhau ở các tần số khác nhau.
Ở dải tần số thấp, trở kháng bao gồm điện kháng cảm ứng của điện cảm. Ở tần số thấp, R rất nhỏ và độ thấm từ của lõi từ cao nên độ tự cảm lớn và L đóng vai trò chính, nhiễu điện từ bị phản xạ và triệt tiêu; và tại thời điểm này, tổn thất từ tính của lõi là nhỏ và toàn bộ thiết bị là một cuộn cảm có tổn thất thấp và đặc tính Q cao. Cuộn cảm này dễ gây cộng hưởng. Do đó, ở dải tần số thấp, đôi khi có thể xảy ra hiện tượng nhiễu tăng cường sau khi sử dụng hạt ferit.
Trong dải tần số cao, trở kháng bao gồm các thành phần điện trở. Khi tần số tăng, độ từ thẩm của lõi từ giảm, dẫn đến giảm độ tự cảm của cuộn cảm và giảm thành phần điện kháng cảm ứng. Tuy nhiên, tại thời điểm này, sự mất mát của lõi từ tăng lên và tăng thành phần điện trở. , dẫn đến tăng tổng trở, khi tín hiệu tần số cao đi qua ferit, nhiễu điện từ được hấp thụ và tiêu tán dưới dạng năng lượng nhiệt.
Các thành phần triệt tiêu Ferrite được sử dụng rộng rãi trên bảng mạch in, đường dây điện và đường dữ liệu. Nếu một phần tử triệt tiêu ferrite được thêm vào đầu vào của đường dây nguồn của bảng in, nhiễu tần số cao có thể được lọc ra. Vòng từ tính Ferrite hoặc hạt từ tính được sử dụng đặc biệt để triệt nhiễu tần số cao và nhiễu tăng đột biến trên đường tín hiệu và đường dây điện. Nó cũng có khả năng hấp thụ nhiễu xung phóng tĩnh điện.
2. Nguyên lý và đặc điểm của hạt từ Khi dòng điện chạy qua dây dẫn ở lỗ trung tâm của nó sẽ là một đường từ tính chạy vòng bên trong hạt từ. Ferrite để kiểm soát EMI nên được chế tạo sao cho phần lớn từ thông bị tiêu tán dưới dạng nhiệt trong vật liệu. Hiện tượng này có thể được mô hình hóa bằng sự kết hợp nối tiếp của cuộn cảm và điện trở. như trong hình 2
Giá trị số của hai thành phần tỷ lệ thuận với chiều dài của hạt từ tính và chiều dài của hạt từ tính có tác động đáng kể đến hiệu ứng triệt tiêu. Chiều dài của hạt từ tính càng dài thì hiệu ứng triệt tiêu càng tốt. Vì năng lượng tín hiệu được ghép từ tính với hạt từ tính, nên điện kháng và điện trở của cuộn cảm tăng khi tần số tăng. Hiệu quả của khớp nối từ phụ thuộc vào tính thấm từ của vật liệu hạt so với không khí. Thông thường, sự mất mát của vật liệu ferit tạo nên hạt có thể được biểu thị dưới dạng một đại lượng phức tạp thông qua tính thấm của nó so với không khí.
Vật liệu từ tính thường sử dụng tỷ lệ này để đặc trưng cho góc mất mát. Cần có góc suy hao lớn đối với các thành phần triệt tiêu EMI, điều đó có nghĩa là phần lớn nhiễu sẽ bị tiêu tan và không bị phản xạ. Sự đa dạng của vật liệu ferit hiện nay cung cấp cho các nhà thiết kế nhiều lựa chọn để sử dụng hạt ferit trong các ứng dụng khác nhau.
3 Ứng dụng của hạt từ tính
3.1 Bộ triệt xung
Nhược điểm lớn nhất của nguồn điện chuyển đổi là dễ tạo ra tiếng ồn và nhiễu, đây là một vấn đề kỹ thuật quan trọng đã cản trở nguồn điện chuyển đổi trong một thời gian dài. Tiếng ồn của nguồn điện chuyển mạch chủ yếu là do chuyển mạch điện áp cao thay đổi nhanh và dòng điện ngắn mạch xung của ống nguồn chuyển mạch và điốt chỉnh lưu chuyển mạch. Do đó, sử dụng các thành phần hiệu quả để hạn chế chúng ở mức tối thiểu là một trong những phương pháp chính để triệt tiêu tiếng ồn. Điện cảm bão hòa phi tuyến tính thường được sử dụng để triệt tiêu đỉnh dòng điện phục hồi ngược, lúc này trạng thái làm việc của lõi sắt là từ -Bs đến cộng Bs. Theo tính nhất quán của tính thấm từ tính cao và hạt từ tính của phần tử điện cảm siêu nhỏ bão hòa trên điốt tự do của nguồn điện chuyển mạch, một bộ triệt xung được sử dụng để triệt tiêu dòng điện cực đại được tạo ra khi nguồn điện chuyển mạch được chuyển đổi đã được phát triển.
Đặc tính hiệu suất của Spike Suppressors
(1) Giá trị độ tự cảm ban đầu và cực đại rất cao, và tính phi tuyến tính của giá trị độ tự cảm dư sau khi bão hòa là cực kỳ khó nhận thấy. Sau khi được mắc nối tiếp vào mạch, dòng điện tăng lên và hiển thị trở kháng cao ngay lập tức, có thể được sử dụng như cái gọi là phần tử trở kháng tức thời.
(2) Nó phù hợp để ngăn tín hiệu cực đại dòng điện thoáng qua trong mạch bán dẫn, mạch kích thích tác động và tiếng ồn đi kèm, đồng thời nó cũng có thể ngăn chất bán dẫn bị hỏng.
(3) Độ tự cảm còn lại cực kỳ nhỏ và tổn thất rất nhỏ khi mạch ổn định.
(4) Nó hoàn toàn khác với hiệu suất của các sản phẩm ferit.
(5) Miễn là tránh bão hòa từ tính, nó có thể được sử dụng như một phần tử điện cảm siêu nhỏ, có độ tự cảm cao.
(6) Nó có thể được sử dụng làm lõi sắt bão hòa hiệu suất cao với tổn thất thấp để kiểm soát và tạo ra dao động.
Bộ triệt xung yêu cầu vật liệu lõi sắt có độ thấm từ cao hơn để có được độ tự cảm lớn hơn; tỷ lệ bình phương cao có thể làm cho lõi sắt bị bão hòa và độ tự cảm sẽ nhanh chóng giảm xuống 0; lực cưỡng chế nhỏ và tổn thất tần số cao thấp, nếu không lõi sẽ không hoạt động bình thường do tản nhiệt.
Mục đích của bộ triệt tăng đột biến chủ yếu là để giảm tín hiệu cực đại hiện tại; giảm tiếng ồn do tín hiệu đỉnh hiện tại gây ra; ngăn ngừa hư hỏng của bóng bán dẫn chuyển mạch; giảm tổn thất chuyển mạch của bóng bán dẫn chuyển mạch; bù các đặc tính phục hồi của diode; ngăn chặn kích thích sốc dòng xung tần số cao. Sử dụng như một bộ lọc dòng siêu nhỏ, v.v.
3.2 Ứng dụng trong bộ lọc a) Kết quả thử nghiệm khi không có hạt từ tính b) Kết quả thử nghiệm với hạt từ tính c) Kết quả thử nghiệm với dòng L và hạt từ tính d) Kết quả thử nghiệm với dòng N và hạt từ tính
Các bộ lọc thông thường bao gồm các thành phần phản ứng không mất dữ liệu. Chức năng của nó trong mạch là phản xạ tần số dải chặn trở lại nguồn tín hiệu, vì vậy loại bộ lọc này còn được gọi là bộ lọc phản xạ. Khi bộ lọc phản xạ không phù hợp với trở kháng của nguồn tín hiệu, một phần năng lượng sẽ được phản xạ trở lại nguồn tín hiệu, dẫn đến mức nhiễu tăng lên. Để giải quyết nhược điểm này, có thể sử dụng vòng từ tính ferrite hoặc ống bọc hạt từ tính trên đường đến của bộ lọc và có thể sử dụng vòng ferrite hoặc hạt từ tính làm mất dòng điện xoáy của tín hiệu tần số cao để chuyển đổi cao -thành phần tần số thành tổn thất nhiệt. Do đó, vòng từ tính và hạt từ tính thực sự hấp thụ các thành phần tần số cao, vì vậy đôi khi chúng được gọi là bộ lọc hấp thụ.
Các thành phần triệt tiêu ferrite khác nhau có dải tần triệt tiêu tối ưu khác nhau. Nói chung, độ thấm càng cao thì tần số bị triệt tiêu càng thấp. Ngoài ra, thể tích của ferrite càng lớn thì hiệu ứng triệt tiêu càng tốt. Khi âm lượng không đổi, hình dạng dài và mỏng có tác dụng triệt tiêu tốt hơn so với hình dạng ngắn và dày, và đường kính bên trong càng nhỏ thì hiệu quả triệt tiêu càng tốt. Tuy nhiên, trong trường hợp dòng điện phân cực DC hoặc AC, vẫn còn vấn đề bão hòa ferit. Mặt cắt ngang của phần tử triệt tiêu càng lớn thì khả năng nó bị bão hòa càng ít và dòng điện phân cực mà nó có thể chịu được càng lớn.
Dựa trên các nguyên tắc và đặc điểm trên của hạt từ tính, nó được áp dụng cho bộ lọc của nguồn điện chuyển mạch và hiệu quả là rõ ràng. Từ kết quả thử nghiệm, có thể thấy rằng ứng dụng của các hạt từ tính là khác nhau đáng kể. Từ kết quả thử nghiệm có thể thấy rằng do ảnh hưởng của mạch cấp nguồn chuyển đổi, cách bố trí cấu trúc và nguồn điện, đôi khi nó có tác dụng triệt tiêu tốt đối với nhiễu chế độ vi sai, đôi khi nó có tác dụng triệt tiêu tốt đối với nhiễu chế độ chung, và đôi khi nó có tác dụng triệt tiêu tốt đối với nhiễu chế độ chung. nó không thể triệt nhiễu Ngược lại, nó sẽ làm tăng nhiễu.
Khi vòng / hạt từ tính hấp thụ EMI triệt tiêu nhiễu chế độ vi sai, giá trị hiện tại đi qua nó tỷ lệ thuận với âm lượng của nó và sự mất cân bằng giữa hai nguyên nhân gây ra bão hòa, làm giảm hiệu suất của thành phần; khi triệt nhiễu chế độ chung, hãy kết nối hai dây (dương và âm) của nguồn điện Đi qua một vòng từ tính cùng một lúc, tín hiệu hiệu dụng là tín hiệu chế độ vi sai và vòng từ tính / hạt từ tính hấp thụ EMI không có tác dụng trên nó, nhưng nó sẽ hiển thị độ tự cảm lớn đối với tín hiệu chế độ chung. Một phương pháp khác tốt hơn trong việc sử dụng vòng từ tính là làm cho dây dẫn đi qua vòng từ tính được quấn nhiều lần để tăng độ tự cảm. Theo nguyên tắc triệt tiêu nhiễu điện từ, hiệu ứng triệt tiêu của nó có thể được sử dụng hợp lý.
Các thành phần triệt tiêu Ferrite nên được lắp đặt gần nguồn gây nhiễu. Đối với mạch đầu vào/đầu ra, nó phải càng gần đầu vào và đầu ra của vỏ che chắn càng tốt. Đối với bộ lọc hấp thụ bao gồm vòng từ tính ferrite và hạt từ tính, ngoài việc chọn vật liệu suy hao có độ thấm từ tính cao, cũng cần chú ý đến các trường hợp ứng dụng của nó. Điện trở của chúng đối với các thành phần tần số cao trong dòng là khoảng từ mười đến hàng trăm Ω, vì vậy vai trò của nó trong các mạch trở kháng cao là không rõ ràng. Ngược lại, trong các mạch có trở kháng thấp (chẳng hạn như mạch phân phối điện, nguồn điện hoặc tần số vô tuyến) Sử dụng sẽ rất hiệu quả.
