کاربرد مهره های مغناطیسی در طراحی EMC منبع تغذیه سوئیچینگ

کاربرد مهره های مغناطیسی در طراحی EMC منبع تغذیه سوئیچینگ

این مقاله با معرفی مشخصات مهره فریت و با توجه به ویژگی های آن، کاربرد مهم آن در طراحی EMC منبع تغذیه سوئیچینگ را مورد تجزیه و تحلیل و معرفی قرار می دهد و نتایج آزمایشی و آزمایشی را در فیلتر خط برق ارائه می دهد.

EMC به یک موضوع داغ و دشوار در طراحی و ساخت الکترونیک امروزی تبدیل شده است. مشکل EMC در کاربرد عملی بسیار پیچیده است و با تکیه بر دانش نظری قابل حل نیست. این بیشتر به تجربه عملی مهندسان الکترونیک بستگی دارد. برای حل بهتر مشکل EMC محصولات الکترونیکی باید مواردی مانند اتصال به زمین، طراحی مدار و برد PCB، طراحی کابل و طراحی محافظ در نظر گرفته شود.

این مقاله به معرفی اصول و ویژگی‌های پایه‌های مغناطیسی می‌پردازد تا اهمیت آن را در منبع تغذیه سوئیچینگ EMC نشان دهد تا در طراحی محصولات جدید، انتخاب‌های بیشتر و بهتری را در اختیار طراحان محصول منبع تغذیه سوئیچینگ قرار دهد.

1 اجزای سرکوب کننده EMI فریت
فریت یک ماده فری مغناطیسی با ساختار شبکه مکعبی است. فرآیند ساخت و خواص مکانیکی آن مشابه سرامیک ها و رنگ آن خاکستری مایل به سیاه است. یکی از انواع هسته مغناطیسی که اغلب در فیلترهای EMI استفاده می شود، مواد فریت است و بسیاری از تولیدکنندگان مواد فریت را به طور ویژه برای سرکوب EMI تهیه می کنند. این ماده با تلفات بسیار زیاد فرکانس بالا مشخص می شود. برای فریت مورد استفاده برای سرکوب تداخل الکترومغناطیسی، مهمترین پارامترهای عملکردی، نفوذپذیری مغناطیسی μ و چگالی شار مغناطیسی اشباع Bs هستند. نفوذپذیری مغناطیسی μ را می توان به صورت یک عدد مختلط بیان کرد، بخش واقعی اندوکتانس را تشکیل می دهد و قسمت خیالی نشان دهنده اتلاف است که با افزایش فرکانس افزایش می یابد. بنابراین، مدار معادل آن یک مدار سری متشکل از یک سلف L و یک مقاومت R است، هر دو L و R تابع فرکانس هستند. هنگامی که سیم از این هسته فریت عبور می کند، با افزایش فرکانس، امپدانس القایی شکل گرفته افزایش می یابد، اما مکانیسم در فرکانس های مختلف کاملاً متفاوت است.

در باند فرکانس پایین، امپدانس از راکتانس القایی سلف تشکیل شده است. در فرکانس های پایین، R بسیار کوچک است، و نفوذپذیری مغناطیسی هسته مغناطیسی بالا است، بنابراین اندوکتانس بزرگ است، و L نقش اصلی را بازی می کند، و تداخل الکترومغناطیسی منعکس و سرکوب می شود. و در این زمان تلفات هسته مغناطیسی کم است و کل دستگاه یک سلف با تلفات کم و ویژگی Q بالا است.

در باند فرکانس بالا، امپدانس از اجزای مقاومت تشکیل شده است. با افزایش فرکانس، نفوذپذیری مغناطیسی هسته مغناطیسی کاهش می یابد و در نتیجه اندوکتانس سلف کاهش می یابد و جزء راکتانس القایی کاهش می یابد. با این حال، در این زمان، از دست دادن هسته مغناطیسی افزایش می یابد و مولفه مقاومت افزایش می یابد و در نتیجه امپدانس کل افزایش می یابد. هنگامی که سیگنال فرکانس بالا از فریت عبور می کند، تداخل الکترومغناطیسی جذب شده و به شکل انرژی گرمایی از بین می رود.

اجزای سرکوب کننده فریت به طور گسترده در بردهای مدار چاپی، خطوط برق و خطوط داده استفاده می شود. اگر یک عنصر سرکوب کننده فریت به انتهای ورودی خط برق برد چاپ شده اضافه شود، تداخل فرکانس بالا را می توان فیلتر کرد. حلقه های مغناطیسی فریت یا مهره های مغناطیسی به طور ویژه برای سرکوب تداخل فرکانس بالا و تداخل سنبله در خطوط سیگنال و خطوط برق استفاده می شود. همچنین توانایی جذب تداخل پالس تخلیه الکترواستاتیک را دارد.

2. اصل و ویژگی های مهره های مغناطیسی وقتی جریان از سیم در سوراخ مرکزی آن عبور می کند، یک مسیر مغناطیسی خواهد بود که در داخل مهره مغناطیسی گردش می کند. فریت ها برای کنترل EMI باید به گونه ای فرموله شوند که بیشتر شار مغناطیسی به صورت گرما در ماده پخش شود. این پدیده را می توان با ترکیب سری یک سلف و یک مقاومت مدل کرد. همانطور که در تصویر 2 نشان داده شده است

مقدار عددی دو جزء متناسب با طول مهره مغناطیسی است و طول مهره مغناطیسی تأثیر قابل توجهی بر اثر سرکوب دارد. هرچه طول مهره مغناطیسی بیشتر باشد، اثر سرکوب بهتر است. از آنجایی که انرژی سیگنال به صورت مغناطیسی با مهره مغناطیسی جفت می شود، راکتانس و مقاومت سلف با افزایش فرکانس افزایش می یابد. کارایی کوپلینگ مغناطیسی به نفوذپذیری مغناطیسی ماده مهره نسبت به هوا بستگی دارد. معمولاً از دست دادن مواد فریتی که مهره را تشکیل می دهد می تواند به عنوان یک کمیت پیچیده از طریق نفوذپذیری آن نسبت به هوا بیان شود.

مواد مغناطیسی اغلب از این نسبت برای مشخص کردن زاویه افت استفاده می کنند. یک زاویه تلفات بزرگ برای اجزای سرکوب EMI مورد نیاز است، به این معنی که بیشتر تداخل از بین می رود و منعکس نمی شود. طیف گسترده ای از مواد فریت که امروزه در دسترس است، طیف وسیعی از گزینه ها را برای استفاده از دانه های فریت در کاربردهای مختلف در اختیار طراحان قرار می دهد.

3 کاربرد مهره های مغناطیسی

3.1 سرکوب کننده سنبله
بزرگترین نقطه ضعف منبع تغذیه سوئیچینگ این است که به راحتی ایجاد نویز و تداخل دارد که یک مشکل فنی کلیدی است که برای مدت طولانی منبع تغذیه سوئیچینگ را با مشکل مواجه کرده است. نویز منبع تغذیه سوئیچینگ عمدتاً ناشی از تغییر سریع سوئیچ ولتاژ بالا و جریان اتصال کوتاه پالس لوله برق سوئیچینگ و دیود یکسو کننده سوئیچینگ است. بنابراین استفاده از قطعات موثر برای محدود کردن آنها به حداقل یکی از روش های اصلی سرکوب نویز است. اندوکتانس اشباع غیر خطی معمولاً برای سرکوب پیک جریان بازیابی معکوس استفاده می شود، در این زمان حالت کار هسته آهنی از -Bs به + Bs است. با توجه به قوام نفوذپذیری مغناطیسی بالا و عنصر القایی فوق‌العاده کوچک - مهره‌های مغناطیسی قابل اشباع در دیود چرخ آزاد منبع تغذیه سوئیچینگ، یک سرکوبگر سنبله که برای سرکوب جریان پیک تولید شده در هنگام روشن شدن منبع تغذیه سوئیچینگ استفاده می‌شود، ساخته شده است.

ویژگی های عملکردی سرکوب کننده های سنبله
(1) مقادیر اولیه و حداکثر اندوکتانس بسیار بالا هستند و غیرخطی بودن مقدار اندوکتانس باقیمانده پس از اشباع بسیار نامشخص است. پس از اتصال سری به مدار، جریان افزایش می یابد و بلافاصله امپدانس بالایی نشان می دهد که می تواند به عنوان عنصر امپدانس آنی استفاده شود.

(2) برای جلوگیری از سیگنال پیک جریان گذرا در مدار نیمه هادی، مدار تحریک ضربه و نویز همراه آن مناسب است و همچنین می تواند از آسیب دیدن نیمه هادی جلوگیری کند.

(3) اندوکتانس باقیمانده بسیار کوچک است و وقتی مدار پایدار است تلفات بسیار کم است.

(4) با عملکرد محصولات فریت کاملاً متفاوت است.

(5) تا زمانی که از اشباع مغناطیسی اجتناب شود، می توان از آن به عنوان یک عنصر القایی بسیار کوچک و با اندوکتانس بالا استفاده کرد.

(6) می توان از آن به عنوان یک هسته آهنی اشباع با عملکرد بالا با تلفات کم برای کنترل و ایجاد نوسان استفاده کرد.

سرکوبگر سنبله به مواد هسته آهنی نیاز دارد که دارای نفوذپذیری مغناطیسی بالاتری باشد تا اندوکتانس بزرگتری به دست آورد. هنگامی که نسبت مربع بالا می تواند هسته آهن را اشباع کند، اندوکتانس باید به سرعت به صفر برسد. نیروی اجباری کم است و تلفات فرکانس بالا کم است، در غیر این صورت اتلاف گرمای هسته آهنی به طور معمول کار نخواهد کرد.

هدف سرکوبگر سنبله عمدتاً کاهش سیگنال پیک فعلی است. کاهش نویز ناشی از سیگنال پیک فعلی؛ جلوگیری از آسیب ترانزیستور سوئیچینگ؛ کاهش تلفات سوئیچینگ ترانزیستور سوئیچینگ؛ ویژگی های بازیابی دیود را جبران کنید. جلوگیری از تحریک شوک جریان پالس با فرکانس بالا. به عنوان فیلتر خط فوق العاده کوچک و غیره استفاده کنید.

3.2 کاربرد در فیلتر الف) نتیجه آزمایش بدون مهره های مغناطیسی ب) نتیجه آزمایش با مهره های مغناطیسی ج) نتیجه آزمایش با خط L و مهره های مغناطیسی د) نتیجه آزمایش با خط N و مهره های مغناطیسی

فیلترهای معمولی از اجزای واکنش پذیر بدون تلفات تشکیل شده اند. وظیفه آن در مدار بازتاب فرکانس باند توقف به منبع سیگنال است، بنابراین به این نوع فیلتر، فیلتر بازتابی نیز گفته می شود. هنگامی که فیلتر بازتاب با امپدانس منبع سیگنال مطابقت نداشته باشد، بخشی از انرژی به منبع سیگنال منعکس می شود و در نتیجه سطح تداخل افزایش می یابد. برای رفع این عیب می توان از حلقه مغناطیسی فریت یا آستین مهره مغناطیسی در خط ورودی فیلتر استفاده کرد و از افت جریان گردابی سیگنال فرکانس بالا توسط حلقه فریت یا مهره مغناطیسی می توان برای تبدیل بالا استفاده کرد. - جزء فرکانس در از دست دادن گرما. بنابراین، حلقه مغناطیسی و دانه های مغناطیسی در واقع اجزای با فرکانس بالا را جذب می کنند، بنابراین گاهی اوقات آنها را فیلترهای جذبی می نامند.

اجزای مختلف سرکوب فریت دارای محدوده فرکانس سرکوب بهینه متفاوتی هستند. به طور کلی، هر چه نفوذپذیری بیشتر باشد، فرکانس سرکوب شده کمتر است. علاوه بر این، هر چه حجم فریت بیشتر باشد، اثر سرکوب بهتری دارد. هنگامی که حجم ثابت است، شکل بلند و نازک اثر سرکوب بهتری نسبت به شکل کوتاه و ضخیم دارد و هرچه قطر داخلی کمتر باشد، اثر سرکوب بهتری دارد. با این حال، در مورد جریان بایاس DC یا AC، هنوز مشکل اشباع فریت وجود دارد. هر چه سطح مقطع عنصر سرکوب کننده بزرگتر باشد، احتمال اشباع آن کمتر می شود و جریان بایاس بیشتری می تواند تحمل کند.

بر اساس اصول فوق و ویژگی های مهره های مغناطیسی، روی فیلتر منبع تغذیه سوئیچینگ اعمال می شود و اثر آن آشکار است. از نتایج آزمایش می توان دریافت که کاربرد دانه های مغناطیسی به طور قابل توجهی متفاوت است. از نتایج تجربی می توان دریافت که به دلیل تأثیر مدار منبع تغذیه سوئیچینگ، طرح ساختاری و توان، گاهی اوقات تأثیر سرکوب خوبی بر تداخل مد دیفرانسیل دارد، گاهی اوقات تأثیر سرکوب خوبی بر تداخل حالت معمول دارد. و گاهی اوقات اثر سرکوب کننده ای بر تداخل ندارد اما تداخل نویز را افزایش می دهد.

هنگامی که حلقه مغناطیسی جذب کننده EMI تداخل حالت دیفرانسیل را سرکوب می کند، مقدار جریان عبوری از آن متناسب با حجم آن است و عدم تعادل بین این دو باعث اشباع می شود که عملکرد قطعه را کاهش می دهد. هنگام سرکوب تداخل حالت مشترک، دو سیم (مثبت و منفی) منبع تغذیه به طور همزمان از یک حلقه مغناطیسی عبور می کنند و سیگنال موثر یک سیگنال حالت دیفرانسیل است. روش بهتر دیگر در استفاده از حلقه مغناطیسی این است که سیم عبوری از حلقه مغناطیسی را به طور مکرر چندین بار بپیچانید تا اندوکتانس افزایش یابد. با توجه به اصل سرکوب تداخل الکترومغناطیسی، می توان از اثر سرکوب آن به طور منطقی استفاده کرد.

اجزای مهارکننده فریت باید نزدیک به منبع تداخل نصب شوند. برای مدار ورودی/خروجی باید تا حد امکان به ورودی و خروجی کیس محافظ نزدیک باشد. برای فیلتر جذبی متشکل از حلقه مغناطیسی فریت و مهره‌های مغناطیسی، علاوه بر انتخاب مواد با اتلاف با نفوذپذیری مغناطیسی بالا، باید به موارد کاربرد آن نیز توجه کرد. مقاومت آنها در برابر اجزای فرکانس بالا در خط حدود ده تا صدها Ω است، بنابراین نقش آن در مدارهای امپدانس بالا مشخص نیست. برعکس، در مدارهای کم امپدانس (مانند توزیع برق، منبع تغذیه یا مدارهای فرکانس رادیویی) بسیار موثر خواهد بود.