Application de billes magnétiques dans la conception CEM d'une alimentation à découpage
Cet article présente les caractéristiques des billes de ferrite et, en fonction de ses caractéristiques, analyse et présente son application importante dans la conception CEM de l'alimentation à découpage, et donne les résultats expérimentaux et de tests sur les filtres de ligne électrique.
La CEM est devenue un problème brûlant et difficile dans la conception et la fabrication électroniques d'aujourd'hui. Le problème de la CEM dans la pratique est très complexe 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 imprimés 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 leur importance dans la CEM des alimentations à découpage, afin de fournir aux concepteurs de produits d'alimentation à découpage des choix plus nombreux et plus efficaces lors de la conception de nouveaux produits.
1 composants de suppression EMI en ferrite
La ferrite est un matériau ferrimagnétique avec une structure en réseau cubique. Son procédé de fabrication et ses propriétés mécaniques sont similaires à celles de la céramique, et sa couleur est gris-noir. Un type de noyau magnétique souvent utilisé dans les filtres EMI est le ferrite, et de nombreux fabricants proposent 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 comme 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 tous deux fonctions de la fréquence. Lorsque le fil traverse ce noyau de ferrite, l'impédance inductive formée augmente à mesure que la fréquence augmente, mais le mécanisme est complètement différent selon les fréquences.
Dans la bande des basses fréquences, l'impédance est composée de la réactance inductive de l'inducteur. 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-là, la perte du noyau magnétique est faible et l'ensemble du dispositif est un inducteur avec une faible perte et des caractéristiques Q élevées.
Dans la bande haute fréquence, l’impédance est composée de composants de résistance. À mesure que 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-là, la perte du noyau magnétique augmente et la composante de résistance augmente, ce qui entraîne 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 électrique 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 haute fréquence et les interférences de pointe sur les lignes de signaux et les lignes électriques. Il a également la capacité d’absorber les interférences des impulsions de décharge électrostatique.
2. Le principe et les caractéristiques des billes magnétiques Lorsque le courant circule dans le fil dans son trou central, ce sera une piste magnétique qui circule à l'intérieur de la bille magnétique. Les ferrites pour le contrôle EMI doivent être formulés de telle sorte 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 l'image 2
La valeur numérique des deux composants est proportionnelle à la longueur de la perle magnétique, et la longueur de la perle 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 couplée magnétiquement 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 des billes par rapport à l'air. Habituellement, la perte du matériau ferrite qui constitue la perle 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 ferrite disponibles aujourd'hui offre aux concepteurs un large éventail d'options pour utiliser les billes de ferrite dans différentes applications.
3 Application de billes magnétiques
3.1 Suppresseur de pointes
Le plus gros inconvénient de l’alimentation à découpage est qu’il est facile de générer du bruit et des interférences, ce qui constitue un problème technique clé qui affecte l’alimentation à découpage depuis longtemps. Le bruit de l'alimentation à découpage est principalement causé par la commutation haute tension à changement rapide et le courant de court-circuit d'impulsion du tube d'alimentation à découpage et de la diode de redressement à découpage. Par conséquent, l’utilisation de 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-là, 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 d'éléments d'inductance ultra-petites saturables 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 est 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 augmente 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 par impact et le bruit qui l'accompagne, et il peut également empêcher l'endommagement du semi-conducteur.
(3) L'inductance résiduelle est extrêmement faible et la perte est très faible lorsque le circuit est stable.
(4) C'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 avec une faible perte pour contrôler et générer des oscillations.
Le suppresseur de pointes nécessite que le matériau du noyau de fer ait une perméabilité magnétique plus élevée pour obtenir une inductance plus grande ; lorsque le rapport carré élevé peut saturer le noyau de fer, l'inductance devrait tomber rapidement à zéro ; la force coercitive est faible et la perte à haute fréquence est faible, sinon la dissipation thermique du noyau de fer ne fonctionnera pas normalement.
Le but du suppresseur de pointe est principalement de réduire le signal de pointe actuel ; réduire le bruit provoqué 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. Utiliser comme filtre de ligne ultra-petit, etc.
3.2 Application dans un 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 réfléchir la fréquence de la bande d'arrêt vers la source du signal, c'est pourquoi ce type de filtre est également appelé filtre de réflexion. Lorsque le filtre de réflexion ne correspond pas à l'impédance de la source de signal, une partie de l'énergie sera réfléchie vers la source de signal, entraînant 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 entrante du filtre, et la perte par courants de Foucault du signal haute fréquence par l'anneau de ferrite ou la perle magnétique peut être utilisée pour convertir le signal haute fréquence. -composante de fréquence dans la perte de chaleur. Par conséquent, l’anneau magnétique et les billes magnétiques absorbent réellement les composants haute fréquence, c’est pourquoi ils sont 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 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 DC ou AC, le problème de la saturation en ferrite persiste. Plus la section transversale de l'élément de suppression est grande, moins il risque d'être saturé et plus le courant de polarisation auquel il peut résister 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. Les résultats des tests montrent que l’application des billes magnétiques est très différente. Il ressort 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 des interférences en mode différentiel, parfois il a un bon effet de suppression des interférences en mode commun, et parfois, cela n'a pas d'effet de suppression des interférences mais augmente les interférences sonores.
Lorsque l'anneau magnétique/la 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, les deux fils (positif et négatif) de l'alimentation passent à travers un anneau magnétique en même temps, et le signal efficace est un signal en mode différentiel. Une autre meilleure méthode d'utilisation de l'anneau magnétique consiste à enrouler le fil passant à travers l'anneau magnétique 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 le plus proche 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 et à haute perméabilité magnétique, il convient également de prêter attention à ses occasions d'application. Leur résistance aux composants haute fréquence de la ligne est d'environ dix à plusieurs centaines de Ω, son rôle dans les circuits à haute impédance n'est donc pas évident. Au contraire, il sera très efficace dans les circuits à faible impédance (comme les circuits de distribution d'énergie, d'alimentation ou radio fréquence).
