การประยุกต์เม็ดแม่เหล็กในการออกแบบสวิตชิ่งพาวเวอร์ซัพพลายของอีเอ็มซี

การใช้ลูกปัดแม่เหล็กในการออกแบบ EMC ของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง

บทความนี้จะแนะนำคุณลักษณะของเม็ดเฟอร์ไรต์ และวิเคราะห์และแนะนำการประยุกต์ใช้ที่สำคัญในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟสลับของ EMC และให้ผลการทดลองและการทดสอบในตัวกรองสายไฟ

EMC กลายเป็นประเด็นร้อนและยากในการออกแบบและผลิตทางอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน ปัญหา EMC ในการใช้งานจริงมีความซับซ้อนมาก และไม่สามารถแก้ไขได้ด้วยการอาศัยความรู้ทางทฤษฎี ขึ้นอยู่กับประสบการณ์จริงของวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์มากกว่า เพื่อที่จะแก้ปัญหา EMC ของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ได้ดีขึ้น จำเป็นต้องพิจารณาประเด็นต่างๆ เช่น การต่อสายดิน การออกแบบวงจรและบอร์ด PCB การออกแบบสายเคเบิล และการออกแบบการป้องกัน

บทความนี้จะแนะนำหลักการพื้นฐานและคุณลักษณะของเม็ดแม่เหล็กเพื่อแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของเม็ดบีดแม่เหล็กในการจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง EMC เพื่อให้นักออกแบบผลิตภัณฑ์จ่ายไฟแบบสวิตชิ่งมีทางเลือกมากขึ้นและดียิ่งขึ้นเมื่อออกแบบผลิตภัณฑ์ใหม่

1 ส่วนประกอบปราบปราม EMI ของเฟอร์ไรต์
เฟอร์ไรต์เป็นวัสดุเฟอร์ริแมกเนติกที่มีโครงสร้างลูกบาศก์ขัดแตะ กระบวนการผลิตและคุณสมบัติทางกลคล้ายกับเซรามิกและมีสีเทาดำ แกนแม่เหล็กประเภทหนึ่งที่มักใช้ในตัวกรอง EMI คือวัสดุเฟอร์ไรต์ และผู้ผลิตหลายรายก็จัดหาวัสดุเฟอร์ไรต์ที่ใช้เป็นพิเศษสำหรับการปราบปราม EMI วัสดุนี้มีลักษณะของการสูญเสียความถี่สูงที่มีขนาดใหญ่มาก สำหรับเฟอร์ไรต์ที่ใช้ในการปราบปรามการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า พารามิเตอร์ประสิทธิภาพที่สำคัญที่สุดคือความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็ก μ และความอิ่มตัวของความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก Bs ความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็ก μ สามารถแสดงเป็นจำนวนเชิงซ้อน ส่วนที่แท้จริงถือเป็นตัวเหนี่ยวนำ และส่วนจินตภาพแสดงถึงการสูญเสีย ซึ่งจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นวงจรสมมูลของมันคือวงจรอนุกรมที่ประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำ L และตัวต้านทาน R ทั้ง L และ R เป็นฟังก์ชันของความถี่ เมื่อลวดผ่านแกนเฟอร์ไรต์นี้ อิมพีแดนซ์แบบเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ที่เพิ่มขึ้น แต่กลไกจะแตกต่างอย่างสิ้นเชิงที่ความถี่ต่างกัน

ในย่านความถี่ต่ำ อิมพีแดนซ์จะประกอบด้วยปฏิกิริยารีแอคแตนซ์ของตัวเหนี่ยวนำ ที่ความถี่ต่ำ R มีขนาดเล็กมาก และการซึมผ่านของแม่เหล็กของแกนแม่เหล็กสูง ดังนั้นการเหนี่ยวนำจึงมีขนาดใหญ่ และ L มีบทบาทสำคัญ และการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกสะท้อนและระงับ และในเวลานี้ การสูญเสียแกนแม่เหล็กมีน้อย และอุปกรณ์ทั้งหมดเป็นตัวเหนี่ยวนำที่มีการสูญเสียต่ำและมีคุณลักษณะ Q สูง

ในย่านความถี่สูง อิมพีแดนซ์จะประกอบด้วยส่วนประกอบของความต้านทาน เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น การซึมผ่านของแม่เหล็กของแกนแม่เหล็กจะลดลง ส่งผลให้ค่าความเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำลดลง และส่วนประกอบของปฏิกิริยารีแอคแทนซ์แบบเหนี่ยวนำลดลง อย่างไรก็ตาม ในขณะนี้ การสูญเสียแกนแม่เหล็กเพิ่มขึ้น และส่วนประกอบความต้านทานเพิ่มขึ้น ส่งผลให้อิมพีแดนซ์รวมเพิ่มขึ้น เมื่อสัญญาณความถี่สูงผ่านเฟอร์ไรต์ สัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกดูดซับและกระจายไปในรูปของพลังงานความร้อน

ส่วนประกอบปราบปรามเฟอร์ไรต์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในแผงวงจรพิมพ์ สายไฟ และสายข้อมูล หากมีการเพิ่มองค์ประกอบปราบปรามเฟอร์ไรต์ที่ปลายทางเข้าของสายไฟของบอร์ดที่พิมพ์ การรบกวนความถี่สูงจะถูกกรองออก วงแหวนแม่เหล็กเฟอร์ไรต์หรือเม็ดแม่เหล็กถูกนำมาใช้เป็นพิเศษเพื่อระงับสัญญาณรบกวนความถี่สูงและการรบกวนขัดขวางบนสายสัญญาณและสายไฟฟ้า นอกจากนี้ยังมีความสามารถในการดูดซับการรบกวนของพัลส์การปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต

2. หลักการและคุณลักษณะของเม็ดแม่เหล็ก เมื่อกระแสไหลผ่านเส้นลวดในรูตรงกลางจะเป็นรางแม่เหล็กที่ไหลเวียนภายในเม็ดแม่เหล็ก เฟอร์ไรต์สำหรับการควบคุม EMI ควรมีการกำหนดสูตรเพื่อให้ฟลักซ์แม่เหล็กส่วนใหญ่กระจายไปเป็นความร้อนในวัสดุ ปรากฏการณ์นี้สามารถจำลองได้ด้วยชุดค่าผสมระหว่างตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทาน ดังแสดงในภาพที่ 2

ค่าตัวเลขของส่วนประกอบทั้งสองนั้นแปรผันตามความยาวของเม็ดแม่เหล็ก และความยาวของเม็ดแม่เหล็กมีผลกระทบอย่างมากต่อผลการปราบปราม ยิ่งความยาวของลูกปัดแม่เหล็กยาวเท่าไร ผลการปราบปรามก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น เนื่องจากพลังงานสัญญาณถูกเชื่อมต่อด้วยสนามแม่เหล็กกับเม็ดแม่เหล็ก ค่ารีแอกแตนซ์และความต้านทานของตัวเหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ที่เพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพของข้อต่อแม่เหล็กขึ้นอยู่กับความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กของวัสดุเม็ดบีดที่สัมพันธ์กับอากาศ โดยปกติแล้วการสูญเสียวัสดุเฟอร์ไรต์ที่ประกอบเป็นเม็ดบีดสามารถแสดงเป็นปริมาณเชิงซ้อนผ่านการซึมผ่านของมันสัมพันธ์กับอากาศ

วัสดุแม่เหล็กมักใช้อัตราส่วนนี้เพื่อกำหนดลักษณะมุมสูญเสีย จำเป็นต้องมีมุมการสูญเสียขนาดใหญ่สำหรับส่วนประกอบปราบปราม EMI ซึ่งหมายความว่าการรบกวนส่วนใหญ่จะกระจายไปและไม่สะท้อน วัสดุเฟอร์ไรต์ที่หลากหลายที่มีอยู่ในปัจจุบันทำให้นักออกแบบมีตัวเลือกมากมายสำหรับการใช้เม็ดเฟอร์ไรต์ในการใช้งานที่แตกต่างกัน

3 การใช้ลูกปัดแม่เหล็ก

3.1 ตัวป้องกันสไปค์
ข้อเสียที่ใหญ่ที่สุดของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งคือ ง่ายต่อการสร้างเสียงรบกวนและการรบกวน ซึ่งเป็นปัญหาทางเทคนิคที่สำคัญที่รบกวนแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งมาเป็นเวลานาน เสียงของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งส่วนใหญ่เกิดจากการสวิตชิ่งแรงดันสูงที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วและกระแสลัดวงจรพัลส์ของหลอดสวิตชิ่งและไดโอดเรียงกระแสแบบสวิตชิ่ง ดังนั้นการใช้ส่วนประกอบที่มีประสิทธิภาพเพื่อจำกัดให้เหลือน้อยที่สุดจึงเป็นหนึ่งในวิธีการหลักในการลดเสียงรบกวน ตัวเหนี่ยวนำอิ่มตัวแบบไม่เชิงเส้นมักใช้เพื่อระงับจุดสูงสุดของกระแสการกู้คืนแบบย้อนกลับ ในเวลานี้สถานะการทำงานของแกนเหล็กอยู่ที่ตั้งแต่ -Bs ถึงบวก Bs ตามความสอดคล้องของการซึมผ่านของแม่เหล็กสูงและเม็ดแม่เหล็กองค์ประกอบตัวเหนี่ยวนำขนาดเล็กพิเศษที่ทนทานบนไดโอดอิสระของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง จึงมีการพัฒนาตัวป้องกันเข็มที่ใช้เพื่อระงับกระแสสูงสุดที่เกิดขึ้นเมื่อเปลี่ยนแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง

ลักษณะการทำงานของ Spike Suppressors
(1) ค่าตัวเหนี่ยวนำเริ่มต้นและค่าสูงสุดนั้นสูงมาก และความไม่เป็นเชิงเส้นของค่าตัวเหนี่ยวนำที่เหลือหลังจากการอิ่มตัวนั้นไม่ชัดเจนอย่างยิ่ง หลังจากที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมกับวงจรแล้ว กระแสไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นและแสดงความต้านทานสูงทันที ซึ่งสามารถใช้เป็นองค์ประกอบที่เรียกว่าองค์ประกอบอิมพีแดนซ์ชั่วขณะได้

(2) เหมาะสำหรับการป้องกันสัญญาณจุดสูงสุดชั่วคราวในวงจรเซมิคอนดักเตอร์ วงจรกระตุ้นการกระแทก และเสียงประกอบ และยังสามารถป้องกันไม่ให้เซมิคอนดักเตอร์เสียหาย

(3) ตัวเหนี่ยวนำที่เหลือมีขนาดเล็กมากและการสูญเสียจะน้อยมากเมื่อวงจรมีเสถียรภาพ

(4) แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์เฟอร์ไรต์

(5) ตราบใดที่หลีกเลี่ยงความอิ่มตัวของแม่เหล็ก ก็สามารถใช้เป็นองค์ประกอบตัวเหนี่ยวนำขนาดเล็กพิเศษและสูงได้

(6) สามารถใช้เป็นแกนเหล็กอิ่มตัวประสิทธิภาพสูงโดยมีการสูญเสียในการควบคุมและสร้างการสั่นต่ำ

ตัวต้านการขัดขวางต้องใช้วัสดุแกนเหล็กที่มีการซึมผ่านของแม่เหล็กที่สูงขึ้นเพื่อให้ได้ตัวเหนี่ยวนำที่มากขึ้น เมื่ออัตราส่วนกำลังสองสูงสามารถทำให้แกนเหล็กอิ่มตัวได้ ความเหนี่ยวนำควรลดลงเหลือศูนย์อย่างรวดเร็ว แรงบีบบังคับมีขนาดเล็กและการสูญเสียความถี่สูงต่ำ มิฉะนั้นการกระจายความร้อนของแกนเหล็กจะไม่ทำงานตามปกติ

วัตถุประสงค์ของตัวระงับการขัดขวางคือการลดสัญญาณจุดสูงสุดในปัจจุบันเป็นหลัก ลดเสียงรบกวนที่เกิดจากสัญญาณสูงสุดในปัจจุบัน ป้องกันความเสียหายของทรานซิสเตอร์สวิตชิ่ง ลดการสูญเสียการสลับของทรานซิสเตอร์สวิตช์ ชดเชยลักษณะการฟื้นตัวของไดโอด ป้องกันการกระตุ้นด้วยไฟฟ้าช็อตด้วยพัลส์ความถี่สูง ใช้เป็นตัวกรองเส้นขนาดเล็กพิเศษ ฯลฯ

3.2 การนำไปใช้ในตัวกรอง a) ผลการทดสอบโดยไม่มีเม็ดแม่เหล็ก b) ผลการทดสอบด้วยเม็ดแม่เหล็ก c) ผลการทดสอบด้วยเส้น L และเม็ดแม่เหล็ก d) ผลการทดสอบด้วยเส้น N และเม็ดแม่เหล็ก

ตัวกรองธรรมดาประกอบด้วยส่วนประกอบที่ทำปฏิกิริยาแบบไม่สูญเสีย หน้าที่ในวงจรคือการสะท้อนความถี่สต็อปแบนด์กลับไปยังแหล่งสัญญาณ ดังนั้นตัวกรองประเภทนี้จึงเรียกว่าตัวกรองการสะท้อน เมื่อตัวกรองการสะท้อนไม่ตรงกับอิมพีแดนซ์ของแหล่งสัญญาณ พลังงานส่วนหนึ่งจะสะท้อนกลับไปยังแหล่งสัญญาณ ส่งผลให้ระดับการรบกวนเพิ่มขึ้น เพื่อแก้ไขข้อเสียนี้ แหวนแม่เหล็กเฟอร์ไรต์หรือปลอกลูกปัดแม่เหล็กสามารถใช้กับสายขาเข้าของตัวกรองได้ และการสูญเสียกระแสไหลวนของสัญญาณความถี่สูงโดยวงแหวนเฟอร์ไรต์หรือลูกปัดแม่เหล็กสามารถใช้เพื่อแปลงค่าสูง - องค์ประกอบความถี่ในการสูญเสียความร้อน ดังนั้นวงแหวนแม่เหล็กและเม็ดแม่เหล็กจึงดูดซับส่วนประกอบความถี่สูงได้จริง ดังนั้นบางครั้งจึงเรียกว่าตัวกรองการดูดซับ

ส่วนประกอบปราบปรามเฟอร์ไรต์ที่แตกต่างกันมีช่วงความถี่ปราบปรามที่เหมาะสมที่สุดแตกต่างกัน โดยทั่วไป ยิ่งความสามารถในการซึมผ่านสูงเท่าใด ความถี่ก็จะยิ่งถูกระงับน้อยลงเท่านั้น นอกจากนี้ ยิ่งเฟอร์ไรต์มีปริมาตรมากเท่าใด ผลการปราบปรามก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น เมื่อปริมาตรคงที่ รูปร่างที่ยาวและบางจะมีผลการปราบปรามที่ดีกว่ารูปร่างที่สั้นและหนา และยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางภายในเล็กลง ผลการปราบปรามก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ในกรณีของกระแสไบแอส DC หรือ AC ยังคงมีปัญหาเรื่องความอิ่มตัวของเฟอร์ไรต์ ยิ่งส่วนตัดขวางขององค์ประกอบปราบปรามมีขนาดใหญ่เท่าใด โอกาสที่จะอิ่มตัวก็จะน้อยลงเท่านั้น และยิ่งสามารถทนต่อกระแสไบแอสได้มากขึ้นเท่านั้น

ตามหลักการและลักษณะข้างต้นของเม็ดแม่เหล็ก มันถูกนำไปใช้กับตัวกรองของแหล่งจ่ายไฟสลับ และผลที่ได้ชัดเจน จากผลการทดสอบจะเห็นได้ว่าการใช้เม็ดแม่เหล็กมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ จากผลการทดลองจะเห็นได้ว่าเนื่องจากอิทธิพลของวงจรจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง เค้าโครงโครงสร้าง และกำลังไฟฟ้า บางครั้งจึงมีผลการปราบปรามที่ดีต่อการรบกวนของโหมดดิฟเฟอเรนเชียล บางครั้งมันก็มีผลการปราบปรามที่ดีต่อการรบกวนของโหมดทั่วไป และบางครั้งก็ไม่มีผลในการปราบปรามการรบกวน แต่เพิ่มการรบกวนทางเสียง

เมื่อวงแหวนแม่เหล็กดูดซับ EMI/เม็ดแม่เหล็กระงับการรบกวนในโหมดดิฟเฟอเรนเชียล ค่ากระแสที่ไหลผ่านจะเป็นสัดส่วนกับปริมาตร และความไม่สมดุลระหว่างทั้งสองทำให้เกิดความอิ่มตัว ซึ่งจะลดประสิทธิภาพของส่วนประกอบ เมื่อระงับการรบกวนในโหมดทั่วไป สายไฟทั้งสอง (บวกและลบ) ของแหล่งจ่ายไฟจะผ่านวงแหวนแม่เหล็กในเวลาเดียวกัน และสัญญาณที่มีประสิทธิภาพคือสัญญาณโหมดดิฟเฟอเรนเชียล อีกวิธีที่ดีกว่าในการใช้วงแหวนแม่เหล็กคือการทำให้ลวดที่ผ่านวงแหวนแม่เหล็กพันซ้ำ ๆ หลายครั้งเพื่อเพิ่มความเหนี่ยวนำ ตามหลักการปราบปรามการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ผลการปราบปรามสามารถใช้งานได้อย่างสมเหตุสมผล

ควรติดตั้งส่วนประกอบปราบปรามเฟอร์ไรต์ใกล้กับแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน สำหรับวงจรอินพุต/เอาต์พุต ควรอยู่ใกล้กับทางเข้าและทางออกของกล่องป้องกันมากที่สุด สำหรับตัวกรองการดูดซับที่ประกอบด้วยวงแหวนแม่เหล็กเฟอร์ไรต์และเม็ดแม่เหล็ก นอกเหนือจากการเลือกวัสดุที่สูญเสียซึ่งมีความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กสูงแล้ว ควรคำนึงถึงโอกาสในการใช้งานด้วย ความต้านทานต่อส่วนประกอบความถี่สูงในสายมีค่าประมาณ 10 ถึง 100 Ω ดังนั้นบทบาทของส่วนประกอบในวงจรอิมพีแดนซ์สูงจึงไม่ชัดเจน ในทางตรงกันข้าม จะมีประสิทธิภาพมากในวงจรความต้านทานต่ำ (เช่น วงจรจ่ายไฟ แหล่งจ่ายไฟ หรือวงจรความถี่วิทยุ)