Ứng dụng hạt từ trong thiết kế EMC của bộ nguồn chuyển mạch
Bài báo này giới thiệu các đặc tính của hạt ferrite, đồng thời phân tích và giới thiệu ứng dụng quan trọng của nó trong thiết kế EMC của nguồn điện chuyển mạch và đưa ra kết quả thực nghiệm, thử nghiệm trong bộ lọc đường dây điện.
EMC đã trở thành một vấn đề nóng và khó trong thiết kế và chế tạo điện tử ngày nay. Vấn đề EMC trong ứng dụng thực tế rất phức tạp và không thể giải quyết được nếu chỉ 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 mạch và bo mạch PCB, thiết kế cáp và thiết kế che chắn.
Bài viết này giới thiệu các nguyên lý và đặc tính cơ bản của hạt từ tính để minh họa tầm quan trọng của nó trong việc chuyển đổi nguồn điện EMC, nhằm cung cấp cho các nhà thiết kế sản phẩm nguồn điện chuyển mạch nhiều lựa chọn tốt hơn khi thiết kế sản phẩm mới.
1 thành phần triệt tiêu EMI Ferrite
Ferrite là một vật liệu sắt từ có cấu trúc mạng hình khối. 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 ferrite được sử dụng để triệt tiêu nhiễu điện từ, các thông số hiệu suất quan trọng nhất là độ thấm từ μ và mật độ từ thông bão hòa Bs. Độ thấm từ μ có thể được biểu thị dưới dạng số phức, phần thực tạo thành độ tự cảm và phần ảo biểu thị sự mất mát, tăng khi tăng tần số. Do đó, mạch tương đương của nó là mạch nối tiếp gồm một cuộn cảm L và một điện trở R, cả L và R đều là hàm của tần số. Khi dây đi qua lõi ferrite này, trở kháng cảm ứng hình thành sẽ tăng lên khi tần số tăng lên, 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 cuộn cảm. Ở tần số thấp, R rất nhỏ, độ thấm từ của lõi từ cao nên độ tự cảm lớn, L đóng vai trò chính, nhiễu điện từ bị phản xạ và triệt tiêu; và tại thời điểm này, tổn thất của lõi từ là nhỏ và toàn bộ thiết bị là một cuộn cảm có tổn hao thấp và đặc tính Q cao.
Ở dải tần số cao, trở kháng bao gồm các thành phần điện trở. Khi tần số tăng, độ thấm từ của lõi từ giảm, dẫn đến độ tự cảm của cuộn cảm giảm và thành phần điện kháng cảm ứng giảm. Tuy nhiên, lúc này, tổn thất của lõi từ tăng lên và thành phần điện trở tăng lên dẫn đến tổng trở kháng tăng lên. Khi tín hiệu tần số cao đi qua ferrite, nhiễu điện từ sẽ được hấp thụ và tiêu tán dưới dạng năng lượng nhiệt.
Các thành phần triệt tiêu Ferrite được sử dụng rộng rãi trên các bảng mạch in, đường dây điện và đường dữ liệu. Nếu một bộ phận triệt tiêu ferit được thêm vào đầu vào của đường dây điện 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 tiêu nhiễu tần số cao và nhiễu đột biến trên đường dây tín hiệu và đường dây điện. Nó còn có khả năng hấp thụ nhiễu xung phóng tĩnh điện.
2. Nguyên lý và đặc điểm của hạt từ Khi có dòng điện chạy qua dây dẫn ở lỗ trung tâm của nó sẽ là một đường từ tính chuyển động bên trong hạt từ. Ferrite dùng để điều khiển EMI phải 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 giữa một cuộn cảm và một 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 càng dài thì hiệu quả triệt tiêu càng tốt. Vì năng lượng tín hiệu được ghép từ tính với hạt từ tính nên điện trở và điện trở của cuộn cảm tăng khi tần số tăng. Hiệu quả của việc ghép từ phụ thuộc vào độ thấm từ của vật liệu hạt so với không khí. Thông thường, sự mất mát của vật liệu ferrite tạo nên hạt có thể được biểu thị dưới dạng 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 mô tả góc tổn thất. Cần có góc suy hao lớn đối với các thành phần triệt tiêu EMI, điều đó có nghĩa là hầu hết nhiễu sẽ bị tiêu tan và không bị phản xạ. Sự đa dạng của các vật liệu ferrite hiện nay cung cấp cho các nhà thiết kế nhiều lựa chọn để sử dụng hạt ferrite trong các ứng dụng khác nhau.
3 Ứng dụng của hạt từ tính
3.1 Bộ giảm đột biến
Nhược điểm lớn nhất của việc cung cấp điện chuyển mạch là dễ tạo ra tiếng ồn và nhiễu, đây là một vấn đề kỹ thuật quan trọng đã gây khó khăn cho việc cung cấp điện chuyển mạch 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 ngắn mạch xung của ống nguồn chuyển mạch và diode chỉnh lưu chuyển mạch. Vì vậy, sử dụng các linh kiện hiệu quả để hạn chế chúng ở mức tối thiểu là một trong những phương pháp giảm tiếng ồn chính. Độ tự cảm bão hòa phi tuyến tính thường được sử dụng để triệt tiêu đỉnh dòng 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 cao và các hạt từ tính có độ tự cảm siêu nhỏ có thể bão hòa trên diode quay tự do của nguồn điện chuyển mạch, một bộ triệt tiêu đột biến được sử dụng để triệt tiêu dòng điện cực đại tạo ra khi nguồn điện chuyển mạch được chuyển đổi được phát triển.
Đặc tính hiệu suất của bộ ức chế tăng đột biến
(1) Giá trị độ tự cảm ban đầu và cực đại rất cao và độ phi tuyến của giá trị độ tự cảm dư sau khi bão hòa là cực kỳ rõ ràng. Sau khi được nối nối tiếp với mạch, dòng điện tăng lên và thể hiện trở kháng cao ngay lập tức, có thể được sử dụng như một phần tử trở kháng tức thời.
(2) Nó phù hợp để ngăn chặn tín hiệu cực đại của dòng điện nhất thời trong mạch bán dẫn, mạch kích thích va chạm và tiếng ồn đi kèm, đồng thời nó cũng có thể ngăn chặn chất bán dẫn bị hỏng.
(3) Độ tự cảm dư cực kỳ nhỏ và tổn thất rất nhỏ khi mạch ổn định.
(4) Nó hoàn toàn khác với hiệu suất của các sản phẩm ferrite.
(5) Miễn là tránh bão hòa từ, nó có thể được sử dụng như một phần tử 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; khi tỷ lệ bình phương cao có thể bão hòa lõi sắt, độ tự cảm sẽ nhanh chóng giảm xuống 0; lực cưỡng bức nhỏ và tổn thất tần số cao thấp, nếu không khả năng tản nhiệt của lõi sắt sẽ không hoạt động bình thường.
Mục đích của bộ triệt xung chủ yếu là để giảm tín hiệu đỉnh hiện tại; giảm nhiễu do tín hiệu đỉnh hiện tại gây ra; ngăn chặn sự hư hỏng của bóng bán dẫn chuyển mạch; giảm tổn thất chuyển mạch của bóng bán dẫn chuyển mạch; bù đắp 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 không có hạt từ tính b) Kết quả thử nghiệm với hạt từ tính c) Kết quả thử nghiệm với vạch L và hạt từ tính d) Kết quả thử nghiệm với vạch N và hạt từ tính
Các bộ lọc thông thường bao gồm các thành phần phản ứng không tổn hao. Chức năng của nó trong mạch là phản xạ tần số dải chặn trở lại nguồn tín hiệu nên 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 bị 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 ferrite hoặc ống bọc hạt từ tính trên đường vào của bộ lọc và có thể sử dụng dòng điện xoáy làm mất tín hiệu tần số cao bởi vòng ferit hoặc hạt từ tính để chuyển đổi tín hiệu cao -Thành phần tần số thành tổn thất nhiệt. Do đó, vòng từ và hạt từ thực sự hấp thụ các thành phần tần số cao nên đôi khi chúng còn được gọi là bộ lọc hấp thụ.
Các thành phần ức chế ferit khác nhau có dải tần số triệt tiêu tối ưu khác nhau. Nói chung, độ thấm càng cao thì tần số bị triệt tiêu càng thấp. Ngoài ra, thể tích ferrite càng lớn thì hiệu quả triệt tiêu càng tốt. Khi âm lượng không đổi, hình dài và mỏng có tác dụng triệt tiêu tốt hơn hình ngắn và dày, đường kính trong càng nhỏ thì hiệu quả triệt tiêu càng tốt. Tuy nhiên, trong trường hợp dòng điện phân cực DC hoặc AC vẫn tồn tại vấn đề bão hòa ferit. Tiết diện 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 chuyển đổi nguồn điện và hiệu quả là rõ ràng. Từ kết quả thử nghiệm, có thể thấy ứng dụng của hạt từ tính có sự khác biệt đáng kể. Từ kết quả thử nghiệm có thể thấy rằng do ảnh hưởng của mạch cấp nguồn chuyển mạch, bố trí cấu trúc và nguồn điện, đôi khi nó có tác dụng triệt tiêu tốt nhiễu chế độ vi sai, đôi khi nó có tác dụng triệt tiêu tốt nhiễu chế độ chung, và đôi khi nó không có tác dụng triệt nhiễu mà làm tăng nhiễu.
Khi vòng từ/hạt từ hấp thụ EMI ngăn chặn nhiễu ở chế độ vi sai, giá trị dòng điện đi qua nó tỷ lệ thuận với thể tích của nó và sự mất cân bằng giữa hai nguyên nhân gây ra bão hòa, làm giảm hiệu suất của thành phần; khi triệt tiêu nhiễu ở chế độ chung, hai dây (dương và âm) của nguồn điện đi qua vòng từ cùng một lúc và tín hiệu hiệu quả là tín hiệu chế độ vi sai. Một phương pháp khác tốt hơn trong việc sử dụng vòng từ là làm cho dây đi qua vòng từ được quấn nhiều lần để tăng độ tự cảm. Theo nguyên tắc triệt tiêu nhiễu điện từ, tác dụng triệt tiêu của nó có thể được sử dụng một cách hợp lý.
Các bộ phận 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 ferrite và hạt từ tính, ngoài việc lựa chọn vật liệu tổn hao có tính thấm từ 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 đường dây là khoảng 10 đến hàng trăm Ω, vì vậy vai trò của nó trong các mạch có trở kháng cao là không rõ ràng. Ngược lại, nó sẽ rất hiệu quả trong các mạch có trở kháng thấp (như mạch phân phối điện, mạch cấp nguồn hay mạch tần số vô tuyến).
