スイッチング電源のEMC設計における磁気ビーズの応用
本稿ではフェライトビーズの特性を紹介し、その特性に従ってスイッチング電源のEMC設計における重要な用途を分析および紹介し、電力線フィルタにおける実験およびテスト結果を示します。
EMC は、今日の電子設計と製造においてホットかつ困難な問題となっています。 実用化におけるEMC問題は非常に複雑であり、理論的知識に頼って解決することはできません。 それは電子エンジニアの実務経験に大きく依存します。 電子製品のEMC問題をより良く解決するには、接地、回路およびPCB基板の設計、ケーブル設計、シールド設計などの問題を考慮する必要があります。
本稿では、スイッチング電源製品設計者が新製品を設計する際に、より多くのより良い選択肢を提供できるよう、磁気ビーズの基本原理と特性を紹介し、スイッチング電源のEMCにおける磁気ビーズの重要性を説明します。
1 フェライト EMI 抑制コンポーネント
フェライトは、立方格子構造を持つフェリ磁性材料です。 製造工程や機械的性質はセラミックに似ており、色は灰黒色です。 EMI フィルタでよく使用される磁気コアの 1 つのタイプはフェライト材料であり、多くのメーカーが EMI 抑制に特別に使用されるフェライト材料を提供しています。 この材料は、高周波損失が非常に大きいという特徴があります。 電磁妨害を抑制するために使用されるフェライトにとって、最も重要な性能パラメータは透磁率μと飽和磁束密度Bsです。 透磁率μは複素数で表すことができ、実部はインダクタンス、虚部は損失を表し、周波数が高くなるほど増加します。 したがって、その等価回路はインダクタLと抵抗Rからなる直列回路となり、LとRは両方とも周波数の関数となります。 ワイヤがこのフェライトコアを通過すると、形成される誘導インピーダンスは周波数が増加するにつれて増加する形になりますが、そのメカニズムは周波数によってまったく異なります。
低周波数帯域では、インピーダンスはインダクタの誘導性リアクタンスで構成されます。 低周波数では、R が非常に小さく、磁気コアの透磁率が高いため、インダクタンスが大きく、L が重要な役割を果たし、電磁干渉が反射されて抑制されます。 このとき、磁性コアの損失が小さく、デバイス全体が低損失、高Q特性のインダクタとなります。
高周波帯域では、インピーダンスは抵抗成分で構成されます。 周波数が高くなると、磁気コアの透磁率が減少し、その結果、インダクタのインダクタンスが減少し、誘導性リアクタンス成分が減少します。 ただし、このとき磁性コアの損失が増加し、抵抗成分が増加するため、トータルのインピーダンスが増加します。 高周波信号がフェライトを通過すると、電磁干渉が吸収され、熱エネルギーの形で消散します。
フェライト抑制コンポーネントは、プリント基板、電力線、データ線で広く使用されています。 プリント基板の電源線の入口端にフェライト抑制素子を追加すると、高周波干渉を除去できます。 フェライト磁性リングまたは磁性ビーズは、信号線や電力線の高周波干渉やスパイク干渉を抑制するために特別に使用されます。 また、静電気放電パルスの干渉を吸収する機能もあります。
2. 磁気ビーズの原理と特徴 中心の穴にあるワイヤーに電流を流すと、磁気ビーズの内部を循環する磁気軌道が形成されます。 EMI 制御用のフェライトは、磁束の大部分が材料内で熱として放散されるように配合する必要があります。 この現象は、インダクタと抵抗の直列組み合わせによってモデル化できます。 写真2に示すように
2つの成分の数値は磁性ビーズの長さに比例し、磁性ビーズの長さは抑制効果に大きな影響を与えます。 磁性ビーズの長さが長いほど抑制効果は高くなります。 信号エネルギーは磁気ビーズに磁気的に結合されるため、周波数の増加とともにインダクタのリアクタンスと抵抗が増加します。 磁気結合の効率は、空気に対するビーズ材料の透磁率に依存します。 通常、ビードを構成するフェライト材料の損失は、空気に対する透過率を通じて複素量として表現できます。
磁性材料では、損失角を特徴付けるためにこの比率がよく使用されます。 EMI抑制コンポーネントには大きな損失角が必要です。これは、干渉の大部分が反射されずに散逸されることを意味します。 現在入手可能なフェライト材料の種類は多岐にわたり、設計者はさまざまな用途でフェライト ビーズを使用するための幅広いオプションを利用できます。
3 磁気ビーズの応用
3.1 スパイクサプレッサー
スイッチング電源の最大の欠点は、ノイズや干渉が発生しやすいことであり、これはスイッチング電源を長年悩ませてきた重要な技術的問題です。 スイッチング電源のノイズは主に、高速で変化する高電圧スイッチングと、スイッチング電源管とスイッチング整流ダイオードのパルス短絡電流によって発生します。 したがって、有効な部品を使用してそれらを最小限に抑えることが、ノイズを抑制する主な方法の 1 つです。 非線形飽和インダクタンスは通常、逆回復電流ピークを抑制するために使用されます。このとき、鉄心の動作状態は -Bs からプラス Bs になります。 スイッチング電源のフリーホイーリングダイオード上の高透磁率と可飽和の極小インダクタンス素子である磁気ビーズの整合性を考慮して、スイッチング電源のスイッチング時に発生するピーク電流を抑制するスパイクサプレッサを開発しました。
スパイクサプレッサーの性能特性
(1) 初期および最大インダクタンス値は非常に高く、飽和後の残留インダクタンス値の非直線性は非常に明白です。 回路に直列に接続すると電流が上昇して瞬時にハイインピーダンスとなり、いわゆる瞬時インピーダンス素子として使用できます。
(2) 半導体回路や衝撃励磁回路における過渡電流ピーク信号やそれに伴うノイズの防止に適しており、半導体の破壊も防止できます。
(3) 残留インダクタンスが極めて小さく、回路が安定しているときの損失は非常に小さい。
(4) フェライト製品の性能とは全く異なります。
(5) 磁気飽和を避ければ、超小型、高インダクタンスのインダクタンス素子として使用できます。
(6) 発振を制御・発生させるための低損失の高性能可飽和鉄心として使用できます。
スパイク抑制装置では、より大きなインダクタンスを得るために鉄心材料の透磁率が高くなければなりません。 高い二乗比が鉄心を飽和させる可能性がある場合、インダクタンスはすぐにゼロに低下するはずです。 保磁力が小さく、高周波損失が少ないと鉄心の放熱が正常に機能しません。
スパイク サプレッサーの目的は主に、現在のピーク信号を低減することです。 電流ピーク信号によって引き起こされるノイズを低減します。 スイッチングトランジスタの損傷を防ぎます。 スイッチングトランジスタのスイッチング損失を低減します。 ダイオードの回復特性を補償します。 高周波パルス電流による衝撃励起を防止します。 極小ラインフィルタ等として使用します。
3.2 フィルターへの応用 a) 磁性ビーズを使用しない場合の試験結果 b) 磁性ビーズを使用する場合の試験結果 c) L ラインおよび磁性ビーズを使用する場合の試験結果 d) N ラインおよび磁性ビーズを使用する場合の試験結果
通常のフィルタは、損失のないリアクティブコンポーネントで構成されています。 回路におけるその機能は、阻止帯域周波数を反射して信号源に戻すことであるため、このタイプのフィルターは反射フィルターとも呼ばれます。 反射フィルタが信号源のインピーダンスと一致しない場合、エネルギーの一部が信号源に反射され、干渉レベルが増加します。 この欠点を解決するために、フィルタの入力ラインにフェライト磁性リングまたは磁性ビーズスリーブを使用し、フェライトリングまたは磁性ビーズによる高周波信号の渦電流損失を利用して高周波信号を高周波信号に変換することができます。 -周波数成分を熱損失に変換します。 したがって、磁性リングや磁性ビーズは実際に高周波成分を吸収するため、吸収フィルターと呼ばれることもあります。
フェライト抑制コンポーネントが異なれば、最適な抑制周波数範囲も異なります。 一般に、透磁率が高くなるほど、抑制される周波数は低くなります。 また、フェライトの体積が大きいほど抑制効果が高くなります。 体積が一定の場合、短く太い形状よりも細長い形状の方が抑制効果が高く、内径が小さいほど抑制効果が高くなります。 ただし、DC または AC バイアス電流の場合には、依然としてフェライトの飽和の問題が存在します。 抑制要素の断面積が大きいほど、飽和する可能性が低くなり、より大きなバイアス電流に耐えることができます。
以上のような磁性ビーズの原理と特性をもとに、スイッチング電源のフィルタに適用するとその効果は明らかです。 テスト結果から、磁気ビーズの用途が大きく異なることがわかります。 実験結果からわかるように、スイッチング電源回路、構造レイアウト、電力の影響により、ディファレンシャルモード干渉に対して良好な抑制効果がある場合もあれば、コモンモード干渉に対して良好な抑制効果がある場合もあります。また、場合によっては、干渉を抑制する効果がなく、ノイズ干渉が増加する場合もあります。
EMIを吸収する磁気リング/磁気ビーズが差動モード干渉を抑制する場合、そこを通過する電流値はその体積に比例し、両者の不均衡により飽和が生じ、コンポーネントの性能が低下します。 コモンモード干渉を抑制する場合、電源の 2 本のワイヤ (プラスとマイナス) が同時に磁気リングを通過し、有効な信号は差動モード信号になります。 磁性リングを使用するもう 1 つの良い方法は、磁性リングを通過するワイヤを複数回繰り返し巻いてインダクタンスを増加させることです。 電磁妨害の抑制原理により、抑制効果を合理的に利用できます。
フェライト抑制コンポーネントは干渉源の近くに設置する必要があります。 入出力回路はシールドケースの入口と出口のできるだけ近くに配置してください。 フェライト磁性リングと磁性ビーズで構成される吸収フィルタは、透磁率の高い損失材料を選択するほか、使用シーンにも注意が必要です。 線路内の高周波成分に対する抵抗は約 10 ～ 100 Ω であるため、高インピーダンス回路におけるその役割は明らかではありません。 逆に、低インピーダンス回路（配電、電源、高周波回路など）では非常に効果的です。
