การประยุกต์ใช้ Magnetic Bead ในการออกแบบ EMC ของ Power Supply
EMC กลายเป็นประเด็นร้อนแรงและยุ่งยากในการออกแบบและผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน ปัญหา EMC ในการใช้งานจริงมีความซับซ้อนมากและไม่สามารถแก้ไขได้โดยอาศัยความรู้ทางทฤษฎี ขึ้นอยู่กับประสบการณ์จริงของวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์มากกว่า เพื่อให้แก้ปัญหา EMC ของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ได้ดีขึ้น จำเป็นต้องพิจารณาประเด็นต่างๆ เช่น การต่อลงดิน การออกแบบวงจรและบอร์ด PCB การออกแบบสายเคเบิล และการออกแบบการป้องกัน
บทความนี้แนะนำหลักการพื้นฐานและคุณลักษณะของเม็ดแม่เหล็กเพื่อแสดงให้เห็นถึงความสำคัญในสวิตชิ่งพาวเวอร์ซัพพลาย EMC เพื่อให้ผู้ออกแบบผลิตภัณฑ์สวิตชิ่งพาวเวอร์ซัพพลายมีทางเลือกมากขึ้นในการออกแบบผลิตภัณฑ์ใหม่
1 ส่วนประกอบป้องกันสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าเฟอร์ไรต์
เฟอร์ไรต์เป็นวัสดุเฟอร์ริแมกเนติกที่มีโครงสร้างลูกบาศก์ขัดแตะ กระบวนการผลิตและคุณสมบัติเชิงกลคล้ายกับเซรามิก และสีของมันคือสีเทาดำ แกนแม่เหล็กประเภทหนึ่งที่มักใช้ในตัวกรอง EMI คือวัสดุเฟอร์ไรต์ และผู้ผลิตหลายรายจัดหาวัสดุเฟอร์ไรต์ที่ใช้เป็นพิเศษสำหรับการยับยั้ง EMI วัสดุนี้มีลักษณะการสูญเสียความถี่สูงมาก สำหรับเฟอร์ไรต์ที่ใช้ในการยับยั้งการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า พารามิเตอร์ประสิทธิภาพที่สำคัญที่สุดคือการซึมผ่านของแม่เหล็ก μ และความอิ่มตัวของความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก Bs ความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็ก μ สามารถแสดงเป็นจำนวนเชิงซ้อน ส่วนจริงประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำ และส่วนจินตภาพแสดงถึงการสูญเสีย ซึ่งเพิ่มขึ้นตามความถี่ที่เพิ่มขึ้น ดังนั้น วงจรสมมูลของมันคือวงจรอนุกรมที่ประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำ L และตัวต้านทาน R ทั้ง L และ R เป็นฟังก์ชันของความถี่ เมื่อลวดผ่านแกนเฟอร์ไรต์นี้ อิมพีแดนซ์อุปนัยที่เกิดขึ้นจะเพิ่มขึ้นในรูปแบบตามความถี่ที่เพิ่มขึ้น แต่กลไกจะแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงที่ความถี่ต่างกัน
ในย่านความถี่ต่ำ อิมพีแดนซ์ประกอบด้วยรีแอคแตนซ์ของตัวเหนี่ยวนำ ที่ความถี่ต่ำ R มีขนาดเล็กมาก และการซึมผ่านของแม่เหล็กของแกนแม่เหล็กอยู่ในระดับสูง ดังนั้นการเหนี่ยวนำจึงมีขนาดใหญ่ และ L มีบทบาทสำคัญ และการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าจะสะท้อนและถูกระงับ และในเวลานี้แม่เหล็ก การสูญเสียของแกนมีขนาดเล็กและอุปกรณ์ทั้งหมดเป็นตัวเหนี่ยวนำที่มีการสูญเสียต่ำและมีลักษณะ Q สูง ตัวเหนี่ยวนำนี้ทำให้เกิดเสียงสะท้อนได้ง่าย ดังนั้นในย่านความถี่ต่ำ บางครั้งอาจมีปรากฏการณ์ของการรบกวนที่เพิ่มขึ้นหลังจากใช้เฟอร์ไรต์บีด
ในย่านความถี่สูง อิมพีแดนซ์ประกอบด้วยส่วนประกอบต้านทาน เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น การซึมผ่านของแม่เหล็กของแกนแม่เหล็กจะลดลง ส่งผลให้ค่าความเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำลดลง และองค์ประกอบรีแอกแตนซ์ที่เหนี่ยวนำลดลง อย่างไรก็ตาม ในเวลานี้ การสูญเสียของแกนแม่เหล็กเพิ่มขึ้นและส่วนประกอบความต้านทานเพิ่มขึ้น นำไปสู่การเพิ่มอิมพีแดนซ์รวม เมื่อสัญญาณความถี่สูงผ่านเฟอร์ไรต์ การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกดูดซับและกระจายไปในรูปของพลังงานความร้อน
ส่วนประกอบปราบปรามเฟอร์ไรต์ใช้กันอย่างแพร่หลายบนแผงวงจรพิมพ์ สายไฟ และสายข้อมูล หากมีการเพิ่มองค์ประกอบปราบปรามเฟอร์ไรต์ที่ปลายด้านเข้าของสายไฟของแผงวงจรพิมพ์ จะสามารถกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูงออกไปได้ วงแหวนแม่เหล็กเฟอร์ไรต์หรือเม็ดแม่เหล็กถูกใช้เป็นพิเศษเพื่อลดสัญญาณรบกวนความถี่สูงและสัญญาณรบกวนแบบขัดขวางบนสายสัญญาณและสายไฟ นอกจากนี้ยังมีความสามารถในการดูดซับการรบกวนพัลส์การปล่อยไฟฟ้าสถิต
2. หลักการและลักษณะของเม็ดแม่เหล็ก เมื่อกระแสไหลผ่านเส้นลวดที่รูตรงกลางจะเป็นรางแม่เหล็กที่ไหลเวียนอยู่ภายในเม็ดแม่เหล็ก ควรมีการกำหนดเฟอร์ไรต์สำหรับการควบคุม EMI เพื่อให้ฟลักซ์แม่เหล็กส่วนใหญ่กระจายตัวเป็นความร้อนในวัสดุ ปรากฏการณ์นี้สามารถจำลองได้โดยการรวมกันของตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทาน ดังแสดงในภาพที่ 2
ค่าตัวเลขของส่วนประกอบทั้งสองเป็นสัดส่วนกับความยาวของเม็ดแม่เหล็ก และความยาวของเม็ดแม่เหล็กมีผลกระทบอย่างมากต่อผลการปราบปราม ยิ่งความยาวของเม็ดแม่เหล็กยาวเท่าใด ผลการปราบปรามก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น เนื่องจากพลังงานสัญญาณเป็นคู่แม่เหล็กกับเม็ดแม่เหล็ก รีแอกแตนซ์และความต้านทานของตัวเหนี่ยวนำจึงเพิ่มขึ้นตามความถี่ที่เพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพของการจับคู่แม่เหล็กขึ้นอยู่กับการซึมผ่านของแม่เหล็กของวัสดุบีดที่สัมพันธ์กับอากาศ โดยปกติแล้ว การสูญเสียวัสดุเฟอร์ไรต์ที่ประกอบเป็นเม็ดบีดสามารถแสดงเป็นปริมาณเชิงซ้อนผ่านความสามารถในการซึมผ่านของมันเมื่อเทียบกับอากาศ
วัสดุแม่เหล็กมักใช้อัตราส่วนนี้เพื่อกำหนดลักษณะของมุมที่สูญเสีย จำเป็นต้องมีมุมการสูญเสียขนาดใหญ่สำหรับส่วนประกอบการยับยั้ง EMI ซึ่งหมายความว่าสัญญาณรบกวนส่วนใหญ่จะกระจายไปและไม่สะท้อนกลับ วัสดุเฟอร์ไรต์ที่มีอยู่ในปัจจุบันทำให้นักออกแบบมีตัวเลือกมากมายสำหรับการใช้เฟอร์ไรต์บีดในการใช้งานต่างๆ
3 การใช้ลูกปัดแม่เหล็ก
3.1 ตัวป้องกันสไปค์
ข้อเสียที่ใหญ่ที่สุดของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งคือทำให้เกิดเสียงรบกวนและสัญญาณรบกวนได้ง่าย ซึ่งเป็นปัญหาทางเทคนิคที่สำคัญที่สร้างปัญหาให้กับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งมาเป็นเวลานาน เสียงรบกวนของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งมีสาเหตุหลักมาจากการสลับไฟฟ้าแรงสูงที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วและกระแสไฟลัดวงจรพัลส์ของหลอดไฟฟ้าสวิตชิ่งและไดโอดเรียงกระแสแบบสวิตชิ่ง ดังนั้นการใช้ส่วนประกอบที่มีประสิทธิภาพเพื่อจำกัดให้เหลือน้อยที่สุดจึงเป็นหนึ่งในวิธีการหลักในการลดเสียงรบกวน โดยปกติจะใช้ตัวเหนี่ยวนำอิ่มตัวแบบไม่เชิงเส้นเพื่อยับยั้งค่าพีคของกระแสการคืนกลับแบบย้อนกลับ ขณะนี้สถานะการทำงานของแกนเหล็กอยู่ที่ตั้งแต่ -Bs ถึงบวก Bs ตามความสม่ำเสมอของการซึมผ่านของแม่เหล็กสูงและเม็ดแม่เหล็กองค์ประกอบตัวเหนี่ยวนำขนาดเล็กพิเศษที่อิ่มตัวได้บนไดโอดแบบหมุนอิสระของแหล่งจ่ายไฟสวิตชิ่ง จึงมีการพัฒนาตัวยับยั้งสไปค์ที่ใช้เพื่อยับยั้งกระแสสูงสุดที่เกิดขึ้นเมื่อสวิตช์สวิตช์แหล่งจ่ายไฟถูกพัฒนาขึ้น
ลักษณะการทำงานของตัวป้องกันสไปค์
(1) ค่าความเหนี่ยวนำเริ่มต้นและค่าสูงสุดมีค่าสูงมาก และความไม่เป็นเส้นตรงของค่าความเหนี่ยวนำที่เหลือหลังจากการอิ่มตัวนั้นไม่ชัดเจนอย่างยิ่ง หลังจากเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับวงจรแล้ว กระแสจะเพิ่มขึ้นและแสดงอิมพีแดนซ์สูงในทันที ซึ่งสามารถใช้เป็นองค์ประกอบอิมพีแดนซ์ชั่วขณะได้
(2) เหมาะสำหรับป้องกันสัญญาณสูงสุดของกระแสชั่วคราวในวงจรเซมิคอนดักเตอร์ วงจรกระตุ้นการกระแทก และเสียงรบกวน และยังสามารถป้องกันไม่ให้เซมิคอนดักเตอร์เสียหาย
(3) ตัวเหนี่ยวนำที่เหลือมีขนาดเล็กมากและการสูญเสียจะน้อยมากเมื่อวงจรมีเสถียรภาพ
(4) แตกต่างจากประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์เฟอร์ไรต์อย่างสิ้นเชิง
(5) ตราบใดที่หลีกเลี่ยงความอิ่มตัวของแม่เหล็ก ก็สามารถใช้เป็นองค์ประกอบการเหนี่ยวนำไฟฟ้าขนาดเล็กพิเศษที่มีความเหนี่ยวนำสูงได้
(6) สามารถใช้เป็นแกนเหล็กอิ่มตัวประสิทธิภาพสูงที่มีการสูญเสียต่ำในการควบคุมและสร้างการสั่น
ตัวป้องกันสไปค์ต้องการวัสดุแกนเหล็กที่มีการซึมผ่านของแม่เหล็กที่สูงขึ้นเพื่อให้ได้ค่าความเหนี่ยวนำที่มากขึ้น อัตราส่วนกำลังสองสูงสามารถทำให้แกนเหล็กอิ่มตัวได้ และค่าความเหนี่ยวนำควรลดลงเป็นศูนย์อย่างรวดเร็ว แรงบีบบังคับมีขนาดเล็กและการสูญเสียความถี่สูงต่ำ มิฉะนั้นแกนกลางจะทำงานไม่ถูกต้องเนื่องจากการกระจายความร้อน
จุดประสงค์ของตัวป้องกันสไปค์คือการลดสัญญาณสูงสุดในปัจจุบันเป็นหลัก ลดสัญญาณรบกวนที่เกิดจากสัญญาณสูงสุดในปัจจุบัน ป้องกันความเสียหายของทรานซิสเตอร์สวิตชิ่ง ลดการสูญเสียการสลับของทรานซิสเตอร์สวิตชิ่ง ชดเชยคุณสมบัติการกู้คืนของไดโอด ป้องกันการกระตุ้นด้วยกระแสพัลส์ความถี่สูง ใช้เป็นตัวกรองเส้นขนาดเล็กพิเศษ ฯลฯ
3.2 การใช้งานในตัวกรอง a) ผลการทดสอบโดยไม่ใช้เม็ดแม่เหล็ก b) ผลการทดสอบด้วยเม็ดแม่เหล็ก c) ผลการทดสอบด้วยเส้น L และเม็ดแม่เหล็ก d) ผลการทดสอบด้วยเส้น N และเม็ดแม่เหล็ก
ตัวกรองทั่วไปประกอบด้วยส่วนประกอบที่ทำปฏิกิริยาแบบไม่สูญเสีย หน้าที่ของมันในวงจรคือการสะท้อนความถี่สต็อปแบนด์กลับไปยังแหล่งสัญญาณ ดังนั้นตัวกรองชนิดนี้จึงเรียกอีกอย่างว่าตัวกรองการสะท้อน เมื่อตัวกรองการสะท้อนไม่ตรงกับอิมพีแดนซ์ของแหล่งสัญญาณ พลังงานส่วนหนึ่งจะสะท้อนกลับไปยังแหล่งสัญญาณ ส่งผลให้ระดับสัญญาณรบกวนเพิ่มขึ้น เพื่อแก้ปัญหาข้อเสียนี้ สามารถใช้วงแหวนแม่เหล็กเฟอร์ไรต์หรือปลอกลูกปัดแม่เหล็กกับสายขาเข้าของตัวกรอง และการสูญเสียกระแสวนของสัญญาณความถี่สูงโดยวงแหวนเฟอร์ไรต์หรือลูกปัดแม่เหล็กสามารถใช้เพื่อแปลงความถี่สูง - ส่วนประกอบความถี่ในการสูญเสียความร้อน ดังนั้นวงแหวนแม่เหล็กและเม็ดแม่เหล็กจะดูดซับส่วนประกอบที่มีความถี่สูง ดังนั้นบางครั้งจึงเรียกว่าตัวกรองการดูดกลืน
ส่วนประกอบในการยับยั้งเฟอร์ไรต์ที่แตกต่างกันมีช่วงความถี่ในการปราบปรามที่เหมาะสมแตกต่างกัน โดยทั่วไป ยิ่งความสามารถในการซึมผ่านสูง ความถี่ที่ถูกระงับก็จะยิ่งต่ำลง นอกจากนี้ ยิ่งปริมาตรของเฟอร์ไรต์มากเท่าใด ผลการปราบปรามก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น เมื่อปริมาตรคงที่ รูปร่างที่ยาวและบางจะมีผลการกดทับที่ดีกว่าแบบสั้นและหนา และยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางภายในมีขนาดเล็กลง ผลการกดทับก็จะยิ่งดีขึ้น อย่างไรก็ตาม ในกรณีของกระแสไบอัส DC หรือ AC ยังคงมีปัญหาของความอิ่มตัวของเฟอร์ไรต์ ยิ่งส่วนตัดขวางขององค์ประกอบการปราบปรามมีขนาดใหญ่เท่าใด โอกาสที่องค์ประกอบจะอิ่มตัวก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น และยิ่งสามารถทนต่อกระแสอคติได้มากเท่านั้น
ตามหลักการข้างต้นและลักษณะของเม็ดแม่เหล็ก ใช้กับตัวกรองของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง และเห็นผลชัดเจน จากผลการทดสอบจะเห็นได้ว่าการใช้เม็ดแม่เหล็กมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ จะเห็นได้จากผลการทดลองว่า เนื่องจากอิทธิพลของวงจรสวิตชิ่งพาวเวอร์ซัพพลาย เค้าโครงโครงสร้าง และกำลังไฟ บางครั้งมีผลยับยั้งการรบกวนโหมดดิฟเฟอเรนเชียลได้ดี บางครั้งก็มีผลยับยั้งการรบกวนโหมดทั่วไปได้ดี และบางครั้ง ไม่สามารถระงับสัญญาณรบกวนได้ ตรงกันข้าม จะเพิ่มสัญญาณรบกวน
เมื่อวงแหวนแม่เหล็ก/บีดแม่เหล็กที่ดูดซับ EMI ยับยั้งการรบกวนของโหมดดิฟเฟอเรนเชียล ค่ากระแสที่ไหลผ่านจะแปรผันตามปริมาตร และความไม่สมดุลระหว่างทั้งสองทำให้เกิดความอิ่มตัว ซึ่งลดประสิทธิภาพของส่วนประกอบ เมื่อระงับการรบกวนโหมดทั่วไป ให้เชื่อมต่อสายไฟสองเส้น (ขั้วบวกและขั้วลบ) ของแหล่งจ่ายไฟ ผ่านวงแหวนแม่เหล็กพร้อมกัน สัญญาณที่มีประสิทธิภาพคือสัญญาณโหมดดิฟเฟอเรนเชียล และวงแหวนแม่เหล็ก/เม็ดแม่เหล็กที่ดูดซับ EMI จะไม่มีผล แต่มันจะแสดงการเหนี่ยวนำขนาดใหญ่สำหรับสัญญาณโหมดทั่วไป อีกวิธีที่ดีกว่าในการใช้วงแหวนแม่เหล็กคือการทำให้ลวดที่ผ่านวงแหวนแม่เหล็กพันซ้ำหลายๆ ครั้งเพื่อเพิ่มค่าความเหนี่ยวนำ ตามหลักการยับยั้งการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ผลการปราบปรามของมันสามารถใช้ได้อย่างสมเหตุสมผล
ควรติดตั้งส่วนประกอบปราบปรามเฟอร์ไรต์ใกล้กับแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน สำหรับวงจรอินพุต/เอาต์พุต ควรอยู่ใกล้กับทางเข้าและทางออกของกล่องป้องกันให้มากที่สุด สำหรับตัวกรองการดูดซับที่ประกอบด้วยวงแหวนแม่เหล็กเฟอร์ไรต์และเม็ดแม่เหล็ก นอกจากการเลือกวัสดุที่สูญเสียการซึมผ่านของแม่เหล็กสูงแล้ว ควรให้ความสนใจกับโอกาสในการใช้งานด้วย ความต้านทานต่อส่วนประกอบความถี่สูงในสายมีค่าประมาณ 10 ถึง 100 โอห์ม ดังนั้นบทบาทของมันในวงจรอิมพีแดนซ์สูงจึงไม่ชัดเจน ในทางตรงกันข้าม ในวงจรอิมพีแดนซ์ต่ำ (เช่น วงจรจ่ายไฟ แหล่งจ่ายไฟ หรือวงจรความถี่วิทยุ) การใช้งานจะมีประสิทธิภาพมาก
