스위칭 전원 공급 장치의 EMC 설계에 마그네틱 비드 적용
본 논문에서는 페라이트 비드의 특성을 소개하고 그 특성에 따라 스위칭 전원 공급 장치의 EMC 설계에 있어서 페라이트 비드의 중요한 응용을 분석 및 소개하고 전력선 필터에 대한 실험 및 테스트 결과를 제공합니다.
EMC는 오늘날의 전자 설계 및 제조 분야에서 뜨겁고 어려운 문제가 되었습니다. 실제 적용에서의 EMC 문제는 매우 복잡하며 이론적 지식에 의존하여 해결할 수 없습니다. 이는 전자 엔지니어의 실제 경험에 더 달려 있습니다. 전자제품의 EMC 문제를 보다 효과적으로 해결하기 위해서는 접지, 회로 및 PCB 기판 설계, 케이블 설계, 차폐 설계 등의 문제를 고려해야 합니다.
이 문서에서는 스위칭 전원 공급 장치 제품 설계자에게 신제품을 설계할 때 더 많고 더 나은 선택권을 제공하기 위해 스위칭 전원 공급 장치 EMC의 중요성을 설명하기 위해 자기 비드의 기본 원리와 특성을 소개합니다.
1 페라이트 EMI 억제 부품
페라이트는 입방격자 구조를 가진 페리자성 물질이다. 제조공정 및 기계적 성질은 세라믹과 유사하며, 색상은 회흑색을 띤다. EMI 필터에 자주 사용되는 자기 코어 유형 중 하나는 페라이트 소재이며, 많은 제조업체에서는 EMI 억제에 특별히 사용되는 페라이트 소재를 제공합니다. 이 소재는 매우 큰 고주파 손실이 특징입니다. 전자기 간섭을 억제하는 데 사용되는 페라이트의 경우 가장 중요한 성능 매개 변수는 투자율 μ 및 포화 자속 밀도 Bs입니다. 투자율 μ는 복소수로 표현할 수 있으며, 실수부는 인덕턴스, 허수부는 손실을 나타내며 주파수가 증가함에 따라 증가합니다. 따라서 등가 회로는 인덕터 L과 저항 R로 구성된 직렬 회로이며, L과 R은 모두 주파수의 함수입니다. 와이어가 이 페라이트 코어를 통과할 때 형성된 유도 임피던스는 주파수가 증가함에 따라 형태가 증가하지만 메커니즘은 주파수에 따라 완전히 다릅니다.
저주파 대역에서 임피던스는 인덕터의 유도성 리액턴스로 구성됩니다. 저주파에서는 R이 매우 작고 자기 코어의 투자율이 높기 때문에 인덕턴스가 크고 L이 중요한 역할을 하며 전자기 간섭이 반사되고 억제됩니다. 이때 자기 코어의 손실은 작으며 전체 장치는 손실이 적고 Q 특성이 높은 인덕터입니다.
고주파수 대역에서 임피던스는 저항 성분으로 구성됩니다. 주파수가 증가할수록 자기 코어의 투자율이 감소하여 인덕터의 인덕턴스가 감소하고 유도성 리액턴스 성분이 감소합니다. 그러나 이때 자기코어의 손실이 증가하고 저항성분이 증가하여 전체 임피던스가 증가하게 된다. 고주파 신호가 페라이트를 통과할 때 전자기 간섭은 흡수되어 열 에너지의 형태로 소멸됩니다.
페라이트 억제 부품은 인쇄 회로 기판, 전력선 및 데이터 라인에 널리 사용됩니다. 인쇄 기판의 전력선 입구 말단에 페라이트 억제 요소를 추가하면 고주파 간섭을 걸러낼 수 있습니다. 페라이트 자기 링 또는 자기 비드는 신호선 및 전력선의 고주파 간섭 및 스파이크 간섭을 억제하는 데 특별히 사용됩니다. 또한 정전기 방전 펄스 간섭을 흡수하는 능력도 있습니다.
2. 자기 비드의 원리와 특성 중앙 구멍에 있는 와이어를 통해 전류가 흐르면 자기 비드 내부를 순환하는 자기 트랙이 됩니다. EMI 제어를 위한 페라이트는 대부분의 자속이 재료에서 열로 소산되도록 구성되어야 합니다. 이 현상은 인덕터와 저항의 직렬 조합으로 모델링할 수 있습니다. 그림 2에 표시된 것처럼
두 성분의 수치는 자기 비드의 길이에 비례하며, 자기 비드의 길이는 억제 효과에 큰 영향을 미칩니다. 자기 비드의 길이가 길수록 억제 효과가 좋아집니다. 신호 에너지는 자기 비드에 자기적으로 결합되므로 주파수가 증가함에 따라 인덕터의 리액턴스와 저항이 증가합니다. 자기 결합의 효율은 공기에 대한 비드 재료의 자기 투자율에 따라 달라집니다. 일반적으로 비드를 구성하는 페라이트 재료의 손실은 공기에 대한 투과성을 통해 복잡한 양으로 표현될 수 있습니다.
자성체는 종종 이 비율을 사용하여 손실 각도를 특성화합니다. EMI 억제 부품에는 큰 손실 각도가 필요합니다. 이는 대부분의 간섭이 소멸되고 반사되지 않음을 의미합니다. 오늘날 사용 가능한 다양한 페라이트 소재는 설계자에게 다양한 응용 분야에서 페라이트 비드를 사용할 수 있는 다양한 옵션을 제공합니다.
3 자성비드 적용
3.1 스파이크 억제기
스위칭 전원 공급 장치의 가장 큰 단점은 잡음과 간섭이 발생하기 쉽다는 점입니다. 이는 오랫동안 스위칭 전원 공급 장치를 괴롭혀온 핵심 기술 문제입니다. 스위칭 전원 공급 장치의 소음은 주로 스위칭 전원 튜브와 스위칭 정류기 다이오드의 빠르게 변화하는 고전압 스위칭 및 펄스 단락 전류로 인해 발생합니다. 따라서 효과적인 부품을 사용하여 이를 최소한으로 제한하는 것이 노이즈를 억제하는 주요 방법 중 하나입니다. 비선형 포화 인덕턴스는 일반적으로 역회복 전류 피크를 억제하는 데 사용되며, 이때 철심의 작동 상태는 -Bs에서 +Bs까지입니다. 스위칭 전원 공급 장치의 환류 다이오드에 있는 높은 투자율과 포화 초소형 인덕턴스 소자-자기 비드의 일관성에 따라 스위칭 전원 공급 장치가 스위칭될 때 발생하는 피크 전류를 억제하는 데 사용되는 스파이크 억제기가 개발됩니다.
스파이크 억제기의 성능 특성
(1) 초기 및 최대 인덕턴스 값은 매우 높으며 포화 후 잔류 인덕턴스 값의 비선형성은 매우 불분명합니다. 회로에 직렬로 연결하면 전류가 상승하여 순간적으로 높은 임피던스를 나타내게 되는데, 이는 소위 순시임피던스 소자로 활용될 수 있다.
(2) 반도체 회로, 충격 여자 회로 및 그에 따른 소음의 과도 전류 피크 신호를 방지하는 데 적합하며 반도체가 손상되는 것을 방지할 수도 있습니다.
(3) 잔류 인덕턴스는 매우 작으며 회로가 안정되면 손실도 매우 작습니다.
(4) 페라이트 제품의 성능과는 전혀 다릅니다.
(5) 자기 포화를 피하는 한 초소형, 고인덕턴스 인덕턴스 소자로 사용할 수 있습니다.
(6) 발진을 제어하고 발생시키기 위해 손실이 적은 고성능 포화 철심으로 사용할 수 있습니다.
스파이크 억제기는 더 큰 인덕턴스를 얻기 위해 더 높은 투자율을 갖는 철심 재료가 필요합니다. 높은 제곱비가 철심을 포화시킬 수 있을 때 인덕턴스는 빠르게 0으로 떨어져야 합니다. 보자력이 작고 고주파 손실이 낮습니다. 그렇지 않으면 철심의 열 방출이 정상적으로 작동하지 않습니다.
스파이크 억제기의 목적은 주로 전류 피크 신호를 줄이는 것입니다. 현재 피크 신호로 인한 잡음을 줄입니다. 스위칭 트랜지스터의 손상을 방지합니다. 스위칭 트랜지스터의 스위칭 손실을 감소시키고; 다이오드의 회복 특성을 보상하고; 고주파 펄스 전류 충격 여기를 방지합니다. 초소형 라인필터 등으로 사용
3.2 필터에 적용 a) 자성 비드를 적용하지 않은 테스트 결과 b) 자성 비드를 적용한 테스트 결과 c) L 라인과 자성 비드를 적용한 테스트 결과 d) N 라인과 자성 비드를 적용한 테스트 결과
일반 필터는 무손실 반응성 구성 요소로 구성됩니다. 회로에서의 기능은 저지대역 주파수를 신호 소스로 다시 반사하는 것이므로 이러한 유형의 필터를 반사 필터라고도 합니다. 반사 필터가 신호 소스의 임피던스와 일치하지 않으면 에너지의 일부가 신호 소스로 다시 반사되어 간섭 수준이 증가합니다. 이러한 단점을 해결하기 위해 필터의 인입 라인에 페라이트 자기 링이나 자기 비드 슬리브를 사용할 수 있으며, 페라이트 링이나 자기 비드에 의한 고주파 신호의 와전류 손실을 이용하여 높은 신호를 변환할 수 있습니다. -주파수 성분을 열 손실로 변환합니다. 따라서 자기 링과 자기 비드는 실제로 고주파 성분을 흡수하므로 흡수 필터라고도 합니다.
다양한 페라이트 억제 구성요소는 최적의 억제 주파수 범위가 다릅니다. 일반적으로 투자율이 높을수록 억제되는 주파수는 낮아집니다. 또한, 페라이트의 부피가 클수록 억제 효과가 좋아진다. 부피가 일정한 경우에는 길고 얇은 형상이 짧고 두꺼운 형상보다 억제효과가 좋고, 내경이 작을수록 억제효과가 좋습니다. 그러나 DC 또는 AC 바이어스 전류의 경우 여전히 페라이트 포화 문제가 있습니다. 억제 요소의 단면적이 클수록 포화될 가능성이 낮아지고 견딜 수 있는 바이어스 전류가 커집니다.
위의 자기비드 원리와 특성을 바탕으로 스위칭 전원공급장치의 필터에 적용하면 그 효과가 뚜렷하다. 테스트 결과를 보면 자성비드의 적용이 확연히 다르다는 것을 알 수 있다. 스위칭 전원 공급 장치 회로, 구조적 레이아웃 및 전원의 영향으로 인해 때로는 차동 모드 간섭에 대한 좋은 억제 효과가 있고 때로는 공통 모드 간섭에 대한 좋은 억제 효과가 있음을 실험 결과에서 볼 수 있습니다. 때로는 간섭에 대한 억제 효과가 없지만 소음 간섭을 증가시키는 경우도 있습니다.
EMI 흡수 자기 링/자기 비드가 차동 모드 간섭을 억제하면 이를 통과하는 전류 값이 부피에 비례하고 둘 사이의 불균형으로 인해 포화가 발생하여 부품 성능이 저하됩니다. 공통 모드 간섭을 억제할 때 전원 공급 장치의 두 전선(양극 및 음극)이 동시에 자기 링을 통과하며 효과적인 신호는 차동 모드 신호입니다. 자기 링을 사용하는 또 다른 좋은 방법은 자기 링을 통과하는 와이어를 여러 번 반복적으로 감아 인덕턴스를 높이는 것입니다. 전자기 간섭 억제 원리에 따라 억제 효과를 합리적으로 사용할 수 있습니다.
페라이트 억제 구성 요소는 간섭 소스 가까이에 설치해야 합니다. 입/출력 회로는 차폐 케이스의 입구 및 출구와 최대한 가까워야 합니다. 페라이트 자기 링과 자기 비드로 구성된 흡수 필터의 경우 투자율이 높은 손실 재료를 선택하는 것 외에도 적용 상황에도 주의를 기울여야 합니다. 라인의 고주파수 구성 요소에 대한 저항은 약 10Ω에서 수백 Ω이므로 고임피던스 회로에서의 역할은 분명하지 않습니다. 반대로, 낮은 임피던스 회로(예: 배전, 전원 공급 장치 또는 무선 주파수 회로)에서는 매우 효과적입니다.
