Application des billes magnétiques dans la conception CEM de l'alimentation électrique
La compatibilité électromagnétique est devenue un problème brûlant et difficile dans la conception et la fabrication électroniques d'aujourd'hui. Le problème CEM dans l'application pratique est très compliqué et ne peut être résolu en s'appuyant sur des connaissances théoriques. Cela dépend davantage de l'expérience pratique des ingénieurs électroniciens. Afin de mieux résoudre le problème de CEM des produits électroniques, il est nécessaire de prendre en compte des problèmes tels que la mise à la terre, la conception des circuits et des cartes PCB, la conception des câbles et la conception du blindage.
Cet article présente les principes de base et les caractéristiques des billes magnétiques pour illustrer son importance dans la CEM des alimentations à découpage, afin de fournir aux concepteurs de produits d'alimentation à découpage des choix plus nombreux et de meilleure qualité lors de la conception de nouveaux produits.
1 Composants de suppression des interférences électromagnétiques en ferrite
La ferrite est un matériau ferrimagnétique à structure de réseau cubique. Son procédé de fabrication et ses propriétés mécaniques sont similaires à ceux de la céramique, et sa couleur est gris-noir. Un type de noyau magnétique souvent utilisé dans les filtres EMI est le matériau en ferrite, et de nombreux fabricants fournissent des matériaux en ferrite spécialement utilisés pour la suppression des EMI. Ce matériau se caractérise par des pertes haute fréquence très importantes. Pour la ferrite utilisée pour supprimer les interférences électromagnétiques, les paramètres de performance les plus importants sont la perméabilité magnétique μ et la densité de flux magnétique de saturation Bs. La perméabilité magnétique μ peut être exprimée sous la forme d'un nombre complexe, la partie réelle constitue l'inductance et la partie imaginaire représente la perte, qui augmente avec l'augmentation de la fréquence. Par conséquent, son circuit équivalent est un circuit série composé d'une inductance L et d'une résistance R, L et R étant toutes deux fonctions de la fréquence. Lorsque le fil traverse ce noyau de ferrite, l'impédance inductive formée augmente de forme à mesure que la fréquence augmente, mais le mécanisme est complètement différent à différentes fréquences.
Dans la bande basse fréquence, l'impédance est composée de la réactance inductive de l'inductance. Aux basses fréquences, R est très petit et la perméabilité magnétique du noyau magnétique est élevée, donc l'inductance est grande, et L joue un rôle majeur, et les interférences électromagnétiques sont réfléchies et supprimées; et à ce moment le magnétique La perte du noyau est faible, et l'ensemble du dispositif est un inducteur à faible perte et à caractéristiques Q élevées. Cet inducteur est facile à provoquer une résonance. Par conséquent, dans la bande basse fréquence, il peut parfois y avoir un phénomène d'interférence accrue après l'utilisation de billes de ferrite.
Dans la bande haute fréquence, l'impédance est composée de composants de résistance. Lorsque la fréquence augmente, la perméabilité magnétique du noyau magnétique diminue, ce qui entraîne une diminution de l'inductance de l'inducteur et une diminution de la composante de réactance inductive. Cependant, à ce moment, la perte du noyau magnétique augmente et la composante de résistance augmente. , entraînant une augmentation de l'impédance totale, lorsque le signal haute fréquence traverse la ferrite, les interférences électromagnétiques sont absorbées et dissipées sous forme d'énergie thermique.
Les composants de suppression de ferrite sont largement utilisés sur les cartes de circuits imprimés, les lignes électriques et les lignes de données. Si un élément de suppression de ferrite est ajouté à l'extrémité d'entrée de la ligne d'alimentation de la carte imprimée, les interférences haute fréquence peuvent être filtrées. Les anneaux magnétiques en ferrite ou les billes magnétiques sont spécialement utilisés pour supprimer les interférences à haute fréquence et les pointes d'interférence sur les lignes de signal et les lignes électriques. Il a également la capacité d'absorber les interférences d'impulsions de décharge électrostatique.
2. Le principe et les caractéristiques des billes magnétiques Lorsque le courant parcourt le fil dans son trou central, ce sera une piste magnétique qui circulera à l'intérieur de la bille magnétique. Les ferrites pour le contrôle EMI doivent être formulés de manière à ce que la majeure partie du flux magnétique soit dissipée sous forme de chaleur dans le matériau. Ce phénomène peut être modélisé par une combinaison en série d'une inductance et d'une résistance. comme le montre la photo 2
La valeur numérique des deux composants est proportionnelle à la longueur du cordon magnétique, et la longueur du cordon magnétique a un impact significatif sur l'effet de suppression. Plus la longueur de la perle magnétique est longue, meilleur est l'effet de suppression. Étant donné que l'énergie du signal est magnétiquement couplée à la perle magnétique, la réactance et la résistance de l'inducteur augmentent avec l'augmentation de la fréquence. L'efficacité du couplage magnétique dépend de la perméabilité magnétique du matériau de la bille par rapport à l'air. Habituellement, la perte du matériau de ferrite qui constitue le cordon peut être exprimée comme une quantité complexe par sa perméabilité par rapport à l'air.
Les matériaux magnétiques utilisent souvent ce rapport pour caractériser l'angle de perte. Un grand angle de perte est requis pour les composants de suppression EMI, ce qui signifie que la plupart des interférences seront dissipées et non réfléchies. La grande variété de matériaux de ferrite disponibles aujourd'hui offre aux concepteurs un large éventail d'options pour l'utilisation de billes de ferrite dans différentes applications.
3 Application de billes magnétiques
3.1 Suppresseur de pics
Le plus grand inconvénient de l'alimentation à découpage est qu'il est facile de générer du bruit et des interférences, ce qui est un problème technique clé qui a longtemps affligé l'alimentation à découpage. Le bruit de l'alimentation à découpage est principalement causé par la commutation rapide à haute tension et le courant de court-circuit impulsionnel du tube de puissance de commutation et de la diode de redressement de commutation. Par conséquent, utiliser des composants efficaces pour les limiter au minimum est l'une des principales méthodes de suppression du bruit. L'inductance saturée non linéaire est généralement utilisée pour supprimer le pic de courant de récupération inverse, à ce moment, l'état de fonctionnement du noyau de fer est de -Bs à plus Bs. Selon la cohérence de la perméabilité magnétique élevée et des billes magnétiques à élément d'inductance ultra-petite saturable sur la diode de roue libre de l'alimentation à découpage, un suppresseur de pointe utilisé pour supprimer le courant de crête généré lorsque l'alimentation à découpage est commutée a été développé.
Caractéristiques de performance des suppresseurs de pointes
(1) Les valeurs d'inductance initiale et maximale sont très élevées et la non-linéarité de la valeur d'inductance résiduelle après saturation est extrêmement peu évidente. Après avoir été connecté en série au circuit, le courant monte et présente instantanément une haute impédance, qui peut être utilisée comme élément dit d'impédance instantanée.
(2) Il convient pour empêcher le signal de crête de courant transitoire dans le circuit semi-conducteur, le circuit d'excitation d'impact et le bruit qui l'accompagne, et il peut également empêcher le semi-conducteur d'être endommagé.
(3) L'inductance résiduelle est extrêmement faible et la perte est très faible lorsque le circuit est stable.
(4) Il est complètement différent des performances des produits en ferrite.
(5) Tant que la saturation magnétique est évitée, il peut être utilisé comme élément d'inductance ultra-petit et à haute inductance.
(6) Il peut être utilisé comme noyau de fer saturable haute performance à faible perte pour contrôler et générer des oscillations.
Le suppresseur de pointe nécessite que le matériau du noyau de fer ait une perméabilité magnétique plus élevée pour obtenir une plus grande inductance; le rapport carré élevé peut saturer le noyau de fer et l'inductance devrait chuter rapidement à zéro; la force coercitive est faible et la perte de haute fréquence est faible, sinon le noyau ne fonctionnera pas correctement en raison de la dissipation thermique.
Le but du suppresseur de pic est principalement de réduire le signal de crête de courant ; réduire le bruit causé par le signal de crête actuel ; empêcher les dommages du transistor de commutation ; réduire la perte de commutation du transistor de commutation ; compenser les caractéristiques de récupération de la diode ; empêcher l'excitation de choc de courant d'impulsion à haute fréquence. Utilisation comme filtre de ligne ultra-petit, etc.
3.2 Application dans le filtre a) Résultat du test sans billes magnétiques b) Résultat du test avec billes magnétiques c) Résultat du test avec ligne L et billes magnétiques d) Résultat du test avec ligne N et billes magnétiques
Les filtres ordinaires sont composés de composants réactifs sans perte. Sa fonction dans le circuit est de refléter la fréquence de la bande d'arrêt vers la source du signal, ce type de filtre est donc également appelé filtre de réflexion. Lorsque le filtre de réflexion ne correspond pas à l'impédance de la source du signal, une partie de l'énergie est réfléchie vers la source du signal, ce qui entraîne une augmentation du niveau d'interférence. Afin de résoudre cet inconvénient, un anneau magnétique en ferrite ou un manchon de perle magnétique peut être utilisé sur la ligne d'entrée du filtre, et la perte de courant de Foucault du signal haute fréquence par l'anneau de ferrite ou la perle magnétique peut être utilisée pour convertir le haut -composante de fréquence dans la perte de chaleur. Par conséquent, l'anneau magnétique et les perles magnétiques absorbent en fait les composants haute fréquence, ils sont donc parfois appelés filtres d'absorption.
Différents composants de suppression de ferrite ont différentes plages de fréquences de suppression optimales. Généralement, plus la perméabilité est élevée, plus la fréquence supprimée est faible. De plus, plus le volume de la ferrite est grand, meilleur est l'effet de suppression. Lorsque le volume est constant, la forme longue et fine a un meilleur effet de suppression que la forme courte et épaisse, et plus le diamètre intérieur est petit, meilleur est l'effet de suppression. Cependant, dans le cas d'un courant de polarisation continu ou alternatif, il reste le problème de la saturation en ferrite. Plus la section transversale de l'élément de suppression est grande, moins il est susceptible d'être saturé et plus le courant de polarisation qu'il peut supporter est élevé.
Basé sur les principes et caractéristiques ci-dessus des billes magnétiques, il est appliqué au filtre de l'alimentation à découpage, et l'effet est évident. D'après les résultats des tests, on peut voir que l'application de billes magnétiques est très différente. On peut voir à partir des résultats expérimentaux qu'en raison de l'influence du circuit d'alimentation à découpage, de la disposition structurelle et de la puissance, il a parfois un bon effet de suppression sur les interférences en mode différentiel, parfois il a un bon effet de suppression sur les interférences en mode commun, et parfois il ne peut pas supprimer les interférences. Au contraire, il augmentera les interférences sonores.
Lorsque l'anneau/perle magnétique absorbant les EMI supprime les interférences en mode différentiel, la valeur du courant qui le traverse est proportionnelle à son volume, et le déséquilibre entre les deux provoque une saturation, ce qui réduit les performances du composant ; lors de la suppression des interférences en mode commun, connectez les deux fils (positif et négatif) de l'alimentation Passez à travers un anneau magnétique en même temps, le signal effectif est un signal de mode différentiel et l'anneau magnétique/perle magnétique absorbant les EMI n'a aucun effet dessus, mais il montrera une grande inductance pour le signal de mode commun. Une autre meilleure méthode d'utilisation de l'anneau magnétique consiste à faire en sorte que le fil passant à travers l'anneau magnétique soit enroulé plusieurs fois plusieurs fois pour augmenter l'inductance. Selon son principe de suppression des interférences électromagnétiques, son effet de suppression peut être raisonnablement utilisé.
Les composants de suppression en ferrite doivent être installés à proximité de la source d'interférence. Pour le circuit d'entrée/sortie, il doit être aussi proche que possible de l'entrée et de la sortie du boîtier de blindage. Pour le filtre d'absorption composé d'un anneau magnétique en ferrite et de billes magnétiques, en plus de choisir des matériaux avec perte à haute perméabilité magnétique, il convient également de prêter attention à ses occasions d'application. Leur résistance aux composants haute fréquence dans la ligne est d'environ dix à centaines de Ω, de sorte que son rôle dans les circuits à haute impédance n'est pas évident. Au contraire, dans les circuits à faible impédance (tels que les circuits de distribution d'énergie, d'alimentation ou de radiofréquence), l'utilisation sera très efficace.
