Применение малогабаритных помехоподавляющих магнитопроводов из аморфных металлических сплавов

Тема: Эффективность помехоподавляющих электронных компонентов

Автор: Фоченков Эдуард Анатольевич - ведущий инженер-конструктор ОАО "МСТАТОР"

 

Аннотация

Треть века назад эксперименты по быстрому охлаждению металлических расплавов,которые проводились с целью получения субмикроскопической структуры металла,показали,что в некоторых случаях кристаллическая решетка в металле вообще отсутствует,а расположение атомов характерно для бесструктурного,аморфного тела. Оказалось,что у аморфного металла совсем другие свойства,не сходные с кристаллическим металлом. Аморфные сплавы получили название металлических стекол. В статье рассказывается о некоторых областях применения магнитопроводов,выполненных из аморфных металлических сплавов.

 

Аморфные помехоподавляющие устройства подавляют быстрые изменения  электрического тока, которые могли бы  привести к электрическому шуму в схеме. В отличие от других методов, которые поглощают шум после того, как он уже создан, описываемые устройства  подавляют источник шума. Благодаря прямоугольной форме петли гистерезиса, аморфные помехоподавляющие устройства имеют  очень большую индуктивность в момент перехода тока через нуль, которая эффективно блокирует любые быстрые изменения тока. После установки нормального тока аморфные помехоподавляющие устройства насыщаются и имеют очень низкую индуктивность.         

Аморфные помехоподавляющие устройства просто и эффективно уменьшают шум, вызванный обратным током восстановления в полупроводниковых коммутационных устройствах в момент выключения.

 

 

Рис.1. Аморфные помехоподавляющие устройства

 

Одновитковые помехоподавляющие устройства (на основе цилиндрических магнитопроводов) конструктивно оптимизированы для использования с одновитковой обмоткой, которой обычно является вывод компонента. Т.е. они надеваются на вывод компонента (транзистора, диода) перед монтажом в печатную плату. Минимальная длина средней линии обеспечивает отличные свойства даже при малых токах и всего одном витке.

Многовитковые помехоподавляющие устройства ("SPIKE KILLERS" или «убийцы выбросов») представляют собой маленькие сердечники с режимом насыщения с обмоткой из нескольких витков провода и обеспечивают превосходное подавление шумов и защиту полупроводниковых приборов.

 

Функционально аморфные помехоподавляющие устройства используются

  • для подавления шумов (благодаря эффективному контролю тока обратного восстановления диода, шум переключения диода очень мал),
  • для защиты полупроводников (высокая индуктивность в момент перехода тока через нуль исключает потенциально опасные короткие выбросы напряжения/тока),
  • для предохранения окружения (подавляют паразитные выбросы напряжения/тока, которые могли бы вызвать проблемы в работе окружающих узлов в схеме).

 

Преимущество описываемых устройств по сравнению с другими методами заключается в

  • более высокой эффективности (за счёт устранения причины помех – быстрых изменений тока),
  • меньших потерях (суммарные  потери ниже, чем потери в обычной RC цепочке на высокой частоте),
  • экономии площади печатной платы (одеваются непосредственно на выводы полупроводников, не требуя дополнительного места на печатной плате).

Этот класс магнитопроводов получил широкое применение в импульсных источниках питания, DC-DC конвертерах,  схемах управления электродвигателей, АС адаптерах, в переключательных полупроводниковые схемах, в маленьких синфазных фильтрах.

 

Принцип работы аморфных помехоподавляющих устройств

Принцип использования насыщаемых аморфных помехоподавляющих устройств применительно к шуму переключения  диода поясняется рисунками 2-1 и 2-2.

Период 1 (Диод включен)

В период протекания постоянного прямого тока  (область "I" на рисунке 2-1), намагничивание магнитопровода остается почти постоянным (область " I " на Рис. 2-2). В это время магнитопровод насыщается, поэтому дроссель имеет очень низкую индуктивность (Индуктивность пропорциональна наклону кривой В-Н).

Период 2 (Диод выключается)

В период уменьшения прямого тока диода, при выключении ("II" на Рис. 2-1), намагничивание магнитопровода изменяется как "II " на Рис. 2-2. Дроссель всё ещё имеет низкую индуктивность.

Период 3 ( Обратное восстановление)

Диодный ток продолжает уменьшаться ниже нуля ("III" на Рис. 2-1). Этот период характерен высоким значением di /dt в период обратного восстановления диода, которое является причиной  помех в схеме. Намагничивание магнитопровода изменяется как "III" на Рис. 2-2. В это время, индуктивность (импеданс) дросселя быстро увеличивается, что предотвращает  быстрое восстановление тока диода. Таким образом,  преобразовывая резкое обратное восстановление к  "мягкому" восстановлению, с уменьшенным di/dt, дроссель  устраняет источник шума.

Период 4 (Диодное восстановление закончено)

Как только восстановление диода закончено ("IV" на Рис. 2-1),  намагничивание магнитопровода изменяется как "IV " по вертикальной оси (Рис. 2-2).

Период V (Диод снова включается)

Когда приходит следующий импульс, диод снова включен ("V" на  Рис. 2-1). Намагничивание магнитопровода  изменяется как "V" на Рис. 2-2. Магнитопровод циклически повторяет период "I" - "V". Механизм, описанный выше, предотвращая  быстрое изменение тока при переходе  через нуль, приводит к отличному подавлению высокочастотных колебаний (попадающих на выход и создающих радиопомехи).

Типовое применение аморфных помехоподавляющих устройств:

Рис.3. Типовое применение помехоподавляющих магнитопроводов.

 

Выбор изделия для конкретного применения

В таблице1 приведены общие соображения, используемые при выборе аморфных помехоподавляющих магнитопроводов. Они не являются абсолютными, это только общие рекомендации.

Таблица 1

 

Одновитковые устройства (цилиндрические магнитопроводы)

MSB

Многовитковые устройства

 

MSK

Выходное напряжение

Обычно  ⩽ 12 В

Любое

Время обратного восстановления

Обычно  ⩽ 35 нсек

Любое

Эффективность

Хорошая

Отличная

Стоимость

Ниже

Выше

Обмотка

Обычно 1 виток

Возможность применения более 1 витка

Возможность монтажа на вывод компонента

Да

Возможно для некоторых типоразмеров

 

 

 

После выбора группы устройства, конкретный типономинал определяется следующим образом:

 

Для одновитковых устройств:

Для эффективного  подавления переднего фронта обратного тока восстановления должно быть выполнено следующее условие:

       где         2Фm ⩾ ( Vc × trr)   (Вб),               (1)

2Фm – полный (двойной) поток в магнитопроводе  [Вб];

Vc - напряжение, подаваемое на диод [В];

trr - время обратного восстановления диода [Сек].

 

Пример выбора оптимального магнитопровода:

В качестве примера рассмотрим обратно включенный диод форвард-конвертера.  Выходное напряжение  [Vo]=12V. Время обратного восстановления  [trr]=35 нсек. Скважность [D]=0.3 (30 %)

а) По таблице 1 выбираем цилиндрический помехоподавляющий магнитопровод.

б) Вычисляем правую сторону выражения (1) для данной схемы:

2Фm ⩾ (12 / 0.3) × 35 × 10-9

2Фm ⩾ 1.4 мкВб

Таблица 2

ТИП
Габаритные размеры в контейнере
(внешн. диам. – внутр. диам. – высота)
(мм)
Длина
cредней
линии
Lm
(мм)
Эфф.
сечение
Ас
(мм²)
Коэфф.
индукт.
AL
(мкГн/
вит2)
Динамические параметры
@ F=100 Кгц, Нm=1Э (80 А/м), 25°С
Полный
поток
2Фm
(мкBб)
Коэрц.
сила
Hc
(А/м)
Коэфф.
прямоуг.
Br/Bm
(%)

Nominal

Nominal

Nominal

Min

Min

Max

Min
MSB – 03A – N
(МП3×2×3АП)

4.0-1.5-4.5

7.75

1.2

3.0

1.1

 

 

 

25

 

 

 

88
MSB – 03S – N
(МП3×2×4.5АП)

4.0-1.5-6.0

7.75

1.8

5.0

1.65
MSB – 03B – N
(МП3×2×6АП)

4-1.5-7.5

7.85

2.4

7.0

2.20
MSB – 04S – N
(МП4×2×4.5АП)

5.1-1,5-6.0

9.06

3.6

9.0

3.30
MSB – 04B – N
(МП4×2×6АП)

5.1-1.5-7.5

9.06

4.8

12.0

4.40

в) По таблице 2 выбираем самый маленький по размеру магнитопровод, который удовлетворяет   выражению (1).

Это MSB-03S-N (старое наименование МП 3 х 2 x 4.5 АП).

 

Для многовитковых устройств:

              Для конкретного применения должно быть выполнено следующее условие:

(2Фm × Аw)⩾ 1.5 × Vc × I0 × trr (Вб×мм2),  где:      (2)

2Фm –  Максимальный магнитный поток в магнитопроводе[Вб];

Аw – Область для обмотки [мм2];

Vc – Напряжение, подаваемое на  компонент [В];

I0 – Ток через компонент [А];

trr – Время обратного восстановления диода [Сек].

 

Пример  выбора оптимального дросселя:

В качестве примера рассмотрим обратно включенный диод форвард-конвертера. Выходное напряжение  [Vo] =24V. Время обратного восстановления  [trr] =60 нсек. Скважность  [D] =0.3 (30%). Выходной ток [Io] =2А.

а) По таблице 1 выбираем многовитковый дроссель.
б) Вычисляем правую сторону выражения (2) для данной схемы:

(2Фm × Аw) ⩾ 1.5 × (24 / 0.3) × 2 × 60 × 10-9

(2Фm × Аw)⩾ 14.4 мкВб×мм2

Таблица 3

 

 

 

ТИП

 
Габаритные
размеры в контейнере1)
(мм)
Длина
cредней
линии
Lm
(мм)
Эфф.
сечение
Ас
(мм²)
Коэфф.
индукт.
AL  2)
(мкГн/
вит2)
 
2Фm×Aw3)
(мкВб×мм2)
Динамические параметры
@ F=100 Кгц, Нm=1Э (80 А/м), 25°С
Полный
поток
2Фm
(мкBб)
Коэрц.
сила
Hc
(А/м)
Коэфф.
прямоуг.
Br/Bm
(%)

Nominal

Nominal

Nominal

Min

Nominal

±15%

Max

Min
MSK – 09S – N
(МН090704.5)

10.7-5.5-6.3

25.0

3.5

1.8

93.6

3.9

 

25

 

94
MSK – 10S – N
(МН1007.304.5)

11.9-5.8-6.3

27.0

4.7

2.2

137.8

5.3
MSK – 12A – N
(МН120804.5)

14.0-6.6-4.8

31.0

4.7

1.9

176.8

5.2
MSK – 12S – N

14.0-6.6-6.3

31.0

7.0

2.8

268.6

7.9
MSK – 15A – N
(МН151204.5)

16.7-10.5-6.3

42.2

5.3

1.6

513.3

5.9
MSK – 15S – N

16.9-8.6-6.5

38.7

8.8

2.8

578.2

9.8
MSK – 18S – N

19.8-10.4-6.4

46.5

10.5

2.8

1003.0

11.8

MSK – 21S – N

22.8-12.4-6.3

54.2

12.3

2.8

1669.8

13.8
  1. Внешний диаметр – внутренний диаметр – высота.
  2. При =50 Кгц, =1 В, = 25.
  3. 2Фm –  Максимальный магнитный поток в магнитопроводе [мкВб]; Аw – Окно для обмотки [мм2].

в) По таблице 3  выбираем самый маленький по размеру магнитопровод, который удовлетворяет выражению (2).

Это – MSK-09S-N  (МН090704.5).

г) После выбора магнитопровода, выбираем диаметр провода и число витков обмотки:

dпр ⩾ 0.5 √ I0 (мм)                     (3)

dпр ⩾ 0.5 √ 2 = 0.7 (мм)

д) Число витков N, рассчитывается по формуле:

N ⩾ (Vc × 3 × trr) / 2Фm   (вит)                 (4)

Для    MSK-09S-N  по таблице 3 находим 2Фm = 3.9 мкВб. Подставляя значения в формулу 4, получим:

N ⩾ ( (24 / 0.3) × 3 × 60 × 10-9 ) / ( 3.69 × 10-6)  (4 вит)

Выбираем целое значение N=4 вит.

Окончательный оптимальный выбор помехоподавляющего дросселя производится при практическом тестировании реальной схемы.

 

Ориентировочные рекомендации использования  цилиндрических помехоподавляющих магнитопроводов:

Прямоходовой (форвард ) конвертер:

Таблица 4

trr

Выходное напряжение

3.3 В

5 В

12 В

15 В

24 В

35 нСек

MSB – 03A – N

MSB – 03S – N

MSB – 04S – N

MSB – 04S – N

MSB – 04B – N

60 нСек

MSB – 03S – N

MSB – 04S – N

MSB – 04S – N

MSB – 04B – N

Многовитковый

MSK

 

Обратноходовой (фли – бак) конвертер:

Таблица 5

trr

Выходное напряжение

3.3 В

5 В

12 В

15 В

24 В

35 нСек

MSB – 03A – N

MSB– 03A – N

MSB – 03S – N

MSB – 04S – N

MSB – 04S – N

60 нСек

MSB– 03A – N

MSB – 03S – N

MSB – 04S – N

MSB – 04S – N

MSB – 04B – N

Ресурс: Журнал "Радио" 2003 г.

Применение малогабаритных помехоподавляющих магнитопроводов из аморфных металлических сплавов / Э. Фоченков // Радио. - 2003. - № 2. - С. 31-33. - (Радиолюбителю-конструктору)

Скачать статью .doc