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이상적인 세상에서는 안전, 품질 및 성능이 가장 중요합니다. 그러나 많은 경우 페라이트를 포함한 최종 구성 요소의 비용이 결정적인 요소가 되었습니다. 이 기사는 설계 엔지니어가 비용을 절감할 수 있는 대체 페라이트 재료를 찾는 데 도움을 주기 위한 것입니다. 비용.
원하는 고유 재료 특성과 코어 형상은 각 특정 응용 분야에 따라 결정됩니다. 낮은 신호 레벨 응용 분야의 성능을 좌우하는 고유 특성은 투자율(특히 온도), 낮은 코어 손실, 시간 및 온도에 따른 우수한 자기 안정성 등입니다. 응용 분야에는 높은 Q가 포함됩니다. 인덕터, 공통 모드 인덕터, 광대역, 정합 및 펄스 변압기, 무선 안테나 요소, 능동 및 수동 리피터. 전력 애플리케이션의 경우 작동 주파수 및 온도에서 높은 자속 밀도와 낮은 손실이 바람직한 특성입니다. 애플리케이션에는 다음을 위한 스위치 모드 전원 공급 장치가 포함됩니다. 전기 자동차 배터리 충전, 자기 증폭기, DC-DC 변환기, 전원 필터, 점화 코일 및 변압기.
억제 애플리케이션에서 소프트 페라이트 성능에 가장 큰 영향을 미치는 고유 특성은 코어의 임피던스에 비례하는 복소 투자율[1]입니다. 페라이트를 원치 않는 신호(전도 또는 방사)의 억제기로 사용하는 세 가지 방법이 있습니다. ). 첫 번째이자 가장 덜 일반적인 것은 페라이트를 사용하여 방사 표유 전자기장 환경에서 도체, 구성 요소 또는 회로를 격리하는 데 사용되는 실용적인 차폐입니다. 두 번째 응용 분야에서 페라이트는 용량성 요소와 함께 사용되어 저역 통과를 생성합니다. 필터, 즉 인덕턴스 – 저주파에서는 용량성, 고주파에서는 소산입니다. 세 번째이자 가장 일반적인 용도는 페라이트 코어가 부품 리드 또는 보드 레벨 회로에 단독으로 사용되는 경우입니다. 이 응용 분야에서 페라이트 코어는 기생 발진 및/ 또는 구성 요소 리드나 상호 연결, 트레이스 또는 케이블을 따라 전파될 수 있는 원치 않는 신호 픽업 또는 전송을 감쇠합니다. 두 번째 및 세 번째 애플리케이션에서 페라이트 코어는 EMI 소스에 의해 유도되는 고주파 전류를 제거하거나 크게 줄여 전도성 EMI를 억제합니다. 페라이트의 도입은 다음을 제공합니다. 고주파 전류를 억제할 만큼 충분히 높은 주파수 임피던스. 이론상으로 이상적인 페라이트는 EMI 주파수에서 높은 임피던스를 제공하고 다른 모든 주파수에서는 0 임피던스를 제공합니다. 실제로 페라이트 억제기 코어는 주파수 종속 임피던스를 제공합니다. 1MHz 미만의 주파수에서는 페라이트 재질에 따라 최대 임피던스는 10MHz ~ 500MHz 사이에서 얻을 수 있습니다.
이는 AC 전압과 전류가 복잡한 매개변수로 표현된다는 전기 공학의 원리와 일치하므로 물질의 투자율은 실수부와 허수부로 구성된 복잡한 매개변수로 표현될 수 있습니다. 이는 고주파수에서 입증됩니다. 투자율은 두 가지 구성 요소로 나뉩니다. 실수 부분(μ')은 교류 자기장과 위상이 같은 반응 부분을 나타내고[2], 허수 부분(μ”)은 교류 자기장과 위상이 다른 손실을 나타냅니다. 교류 자기장.이는 직렬 구성요소(μs'μs”) 또는 병렬 구성요소(μp'μp”)로 표현될 수 있습니다.그림 1, 2 및 3의 그래프는 세 가지 페라이트 재료에 대한 주파수 함수로서 복소 초기 투자율의 계열 구성 요소를 보여줍니다.재료 유형 73은 망간-아연 페라이트이며 초기 자기 전도성은 2500입니다. 재료 유형 43은 초기 투자율이 850인 니켈 아연 페라이트입니다. 재료 유형 61은 초기 투자율이 125인 니켈 아연 페라이트입니다.
그림 3에서 유형 61 재료의 직렬 구성 요소에 초점을 맞추면 투자율의 실제 부분인 μs'가 임계 주파수에 도달할 때까지 주파수가 증가함에 따라 일정하게 유지되다가 급격히 감소하는 것을 볼 수 있습니다. 손실 또는 μs'가 증가합니다. 그런 다음 μs'가 떨어지면서 최고점에 도달합니다.μs'의 이러한 감소는 페리자성 공명의 시작으로 인한 것입니다.[3] 투자율이 높을수록 주파수는 낮아진다는 점에 유의해야 합니다.이 역관계는 Snoek에 의해 처음 관찰되었으며 다음 공식을 제공했습니다.
여기서: ßres = μs” 최대 주파수 γ = 자이로자기 비율 = 0.22 x 106 A-1 m μi = 초기 투자율 Msat = 250-350 Am-1
낮은 신호 레벨 및 전력 애플리케이션에 사용되는 페라이트 코어는 이 주파수 이하의 자기 매개변수에 중점을 두기 때문에 페라이트 제조업체는 더 높은 주파수에서 투자율 및/또는 손실 데이터를 거의 게시하지 않습니다. 그러나 EMI 억제를 위해 페라이트 코어를 지정할 때는 더 높은 주파수 데이터가 필수적입니다.
대부분의 페라이트 제조업체가 EMI 억제에 사용되는 부품에 대해 지정하는 특성은 임피던스입니다. 임피던스는 직접 디지털 판독 기능이 있는 시중에서 판매되는 분석기로 쉽게 측정됩니다. 불행하게도 임피던스는 일반적으로 특정 주파수에서 지정되며 복합체의 크기를 나타내는 스칼라입니다. 임피던스 벡터. 이 정보는 중요하지만 특히 페라이트의 회로 성능을 모델링할 때 충분하지 않은 경우가 많습니다. 이를 달성하려면 구성 요소의 임피던스 값과 위상 각도 또는 특정 재료의 복소 투자율을 사용할 수 있어야 합니다.
그러나 회로에서 페라이트 부품의 성능 모델링을 시작하기 전에 설계자는 다음 사항을 알아야 합니다.
여기서 μ'= 복소 투자율의 실수 부분 μ”= 복소 투자율의 허수 부분 j = 단위의 허수 벡터 Lo= 공심 인덕턴스
철심의 임피던스는 유도성 리액턴스(XL)와 손실 저항(Rs)의 직렬 조합으로 간주되며, 둘 다 주파수에 따라 다릅니다. 무손실 코어의 임피던스는 리액턴스에 의해 결정됩니다.
여기서: Rs = 총 직렬 저항 = Rm + Re Rm = 자기 손실로 인한 등가 직렬 저항 Re = 구리 손실에 대한 등가 직렬 저항
낮은 주파수에서 부품의 임피던스는 주로 유도성입니다. 주파수가 증가함에 따라 인덕턴스는 감소하는 반면 손실은 증가하고 총 임피던스는 증가합니다. 그림 4는 중간 투자율 소재의 주파수 대 XL, Rs 및 Z의 일반적인 플롯입니다. .
그런 다음 유도 리액턴스는 공심 인덕턴스 Lo에 의해 복소 투자율의 실제 부분에 비례합니다.
손실 저항은 또한 동일한 상수에 의해 복소 투자율의 허수부에 비례합니다.
방정식 9에서 코어 재료는 µs' 및 µs”로 주어지며, 코어 형상은 Lo로 주어집니다. 따라서 서로 다른 페라이트의 복소 투자율을 알고 나면 원하는 조건에서 가장 적합한 재료를 얻기 위한 비교가 가능합니다. 주파수 또는 주파수 범위. 최상의 재료를 선택한 후에는 최상의 크기 구성요소를 선택할 차례입니다. 복소 투자율 및 임피던스의 벡터 표현은 그림 5에 나와 있습니다.
제조업체가 억제 응용 분야에 권장되는 페라이트 재료에 대한 복잡한 투자율 대 주파수 그래프를 제공하면 임피던스 최적화를 위한 코어 모양과 코어 재료를 쉽게 비교할 수 있습니다. 안타깝게도 이 정보는 거의 제공되지 않습니다. 그러나 대부분의 제조업체는 초기 투자율 및 주파수 대 손실을 제공합니다. 곡선. 이 데이터에서 코어 임피던스를 최적화하는 데 사용되는 재료를 비교할 수 있습니다.
그림 6을 참조하면 설계자가 100~900kHz 사이의 최대 임피던스를 보장하기를 원한다고 가정할 때 Fair-Rite 73 재료의 초기 투자율 및 손실 계수[4]와 주파수가 선택되었습니다.73 재료가 선택되었습니다. 모델링 목적으로 설계자는 또한 100kHz(105Hz) 및 900kHz에서 임피던스 벡터의 반응성 및 저항성 부분을 이해해야 합니다. 이 정보는 다음 차트에서 파생될 수 있습니다.
100kHz에서 μs' = μi = 2500 및 (Tan δ / μi) = 7 x 10-6 왜냐하면 Tan δ = μs "/ μs'이면 μs" = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43.8이기 때문입니다.
예상한 대로 μ”는 이 낮은 주파수에서 총 투자율 벡터에 거의 추가되지 않는다는 점에 유의해야 합니다.코어의 임피던스는 대부분 유도성입니다.
설계자는 코어가 #22 와이어를 수용하고 10mm x 5mm 공간에 맞아야 한다는 것을 알고 있습니다. 내부 직경은 0.8mm로 지정됩니다. 예상 임피던스와 해당 구성 요소를 해결하려면 먼저 외부 직경이 다음과 같은 비드를 선택하십시오. 10mm 및 높이 5mm:
Z= ΩLo(2500.38) = (6.28 x 105) x .0461 x log10(5/.8) x 10 x (2500.38) x 10-8= 100kHz에서 5.76옴
이 경우 대부분의 경우와 마찬가지로 더 긴 길이의 더 작은 OD를 사용하여 최대 임피던스를 달성합니다. ID가 더 큰 경우(예: 4mm), 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
단위당 임피던스 Lo 및 주파수 대 위상각의 플롯이 제공되는 경우 동일한 접근법을 사용할 수 있습니다. 그림 9, 10 및 11은 여기에 사용된 동일한 세 가지 재료에 대한 이러한 곡선을 나타냅니다.
설계자는 25MHz ~ 100MHz 주파수 범위에서 최대 임피던스를 보장하기를 원합니다. 사용 가능한 보드 공간은 다시 10mm x 5mm이고 코어는 #22 awg 와이어를 수용해야 합니다. 세 가지 페라이트 재료의 단위 임피던스 Lo는 그림 7을 참조하세요. 또는 그림 8에서 동일한 세 가지 재료의 복소 투자율을 보려면 850μi 재료를 선택하십시오.[5]그림 9의 그래프를 사용하면 중간 투자율 재료의 Z/Lo는 25MHz에서 350 x 108ohm/H입니다. 추정된 임피던스를 구하십시오.
앞선 논의에서는 선택한 코어가 원통형이라고 가정합니다. 페라이트 코어를 플랫 리본 케이블, 번들 케이블 또는 천공판에 사용하는 경우 Lo 계산이 더욱 어려워지고 상당히 정확한 코어 경로 길이와 유효 면적 수치를 얻어야 합니다. 공심 인덕턴스를 계산하려면 코어를 수학적으로 슬라이싱하고 계산된 경로 길이와 각 슬라이스에 대한 자기 영역을 추가하면 됩니다. 그러나 모든 경우에 임피던스의 증가 또는 감소는 인덕턴스의 증가 또는 감소에 비례합니다. 페라이트 코어의 높이/길이.[6]
언급한 바와 같이 대부분의 제조업체는 임피던스 측면에서 EMI 애플리케이션용 코어를 지정하지만 최종 사용자는 일반적으로 감쇠를 알아야 합니다. 이 두 매개변수 사이에 존재하는 관계는 다음과 같습니다.
이 관계는 잡음을 생성하는 소스의 임피던스와 잡음을 받는 부하의 임피던스에 따라 달라집니다. 이러한 값은 일반적으로 복소수이며 그 범위는 무한할 수 있으며 설계자가 쉽게 사용할 수 없습니다. 소스가 스위치 모드 전원 공급 장치이고 많은 저임피던스 회로에 로드될 때 발생할 수 있는 로드 및 소스 임피던스에 대해 1ohm을 사용하면 방정식을 단순화하고 페라이트 코어의 감쇠를 비교할 수 있습니다.
그림 12의 그래프는 부하와 발전기 임피던스의 많은 공통 값에 대한 차폐 비드 임피던스와 감쇠 사이의 관계를 보여주는 일련의 곡선입니다.
그림 13은 내부저항이 Zs인 간섭원의 등가회로이다.간섭 신호는 서프레서 코어의 직렬 임피던스 Zsc와 부하 임피던스 ZL에 의해 생성됩니다.
그림 14 및 15는 동일한 세 가지 페라이트 재료에 대한 임피던스 대 온도의 그래프입니다. 이러한 재료 중 가장 안정적인 것은 100°C 및 100MHz에서 임피던스가 8% 감소한 61 재료입니다. 대조적으로, 43 재료는 25를 나타냈습니다. 동일한 주파수 및 온도에서 임피던스의 % 하락. 제공된 경우 이러한 곡선은 높은 온도에서 감쇠가 필요한 경우 지정된 실내 온도 임피던스를 조정하는 데 사용할 수 있습니다.
온도와 마찬가지로 DC 및 50 또는 60Hz 공급 전류도 동일한 고유 페라이트 특성에 영향을 미치며 결과적으로 코어 임피던스가 낮아집니다. 그림 16, 17 및 18은 바이어스가 페라이트 재료의 임피던스에 미치는 영향을 보여주는 일반적인 곡선입니다. .이 곡선은 주파수의 함수로서 특정 재료에 대한 전계 강도의 함수로 임피던스 저하를 설명합니다. 주파수가 증가함에 따라 바이어스의 효과가 감소한다는 점에 유의해야 합니다.
이 데이터가 수집된 이후 Fair-Rite Products는 두 가지 새로운 재료를 출시했습니다. 당사의 44는 니켈-아연 중간 투과성 재료이고 31은 망간-아연 고투과성 재료입니다.
그림 19는 31, 73, 44 및 43 재료에서 동일한 크기의 비드에 대한 임피던스 대 주파수의 플롯입니다. 44 재료는 더 높은 DC 저항, 109ohm cm, 더 나은 열충격 특성, 온도 안정성 및 더 높은 퀴리 온도(Tc). 44 재료는 43 재료에 비해 주파수 특성에 비해 임피던스가 약간 더 높습니다. 고정 재료 31은 전체 측정 주파수 범위에 걸쳐 43 또는 44보다 더 높은 임피던스를 나타냅니다. 31은 대형 망간-아연 코어의 저주파 억제 성능에 영향을 미치는 차원 공진 문제는 케이블 커넥터 억제 코어 및 대형 토로이달 코어에 성공적으로 적용되었습니다. 그림 20은 Fair의 43, 31, 73 재료에 대한 임피던스 대 주파수 플롯입니다. - 0.562″ OD, 0.250 ID 및 1.125 HT의 라이트 코어.그림 19와 그림 20을 비교할 때 더 작은 코어의 경우 최대 25MHz의 주파수에서는 73 재료가 최고의 억제 재료라는 점에 유의해야 합니다.그러나 코어 단면적이 증가하면 최대 주파수는 감소합니다.그림 20의 데이터에서 볼 수 있듯이 73이 가장 좋고 가장 높은 주파수는 8MHz입니다.31 재료가 8MHz ~ 300MHz의 주파수 범위에서 우수한 성능을 발휘한다는 점도 주목할 가치가 있습니다.그러나 망간 아연 페라이트인 31 재료는 102ohms-cm의 훨씬 낮은 체적 저항률을 가지며 극단적인 온도 변화에 따라 임피던스가 더 많이 변합니다.
용어 공기 코어 인덕턴스 - Lo(H) 코어의 투자율이 균일하고 자속 분포가 일정하게 유지되는 경우 측정되는 인덕턴스. 일반 공식 Lo= 4π N2 10-9(H) C1 링 Lo = .0461 N2 log10(OD /ID) Ht 10-8 (H) 치수 단위는 mm입니다.
감쇠 - A(dB) 한 지점에서 다른 지점으로 전송되는 신호 진폭의 감소. 입력 진폭과 출력 진폭의 스칼라 비율(데시벨)입니다.
코어 상수 - C1(cm-1) 자기 회로의 각 섹션의 자로 길이의 합을 동일한 섹션의 해당 자기 영역으로 나눈 것입니다.
코어 상수 - C2(cm-3) 자기 회로의 각 섹션의 자기 회로 길이의 합을 동일한 섹션의 해당 자기 도메인의 제곱으로 나눈 값입니다.
자로 면적 Ae(cm2), 경로 길이 le(cm) 및 부피 Ve(cm3)의 유효 치수 주어진 코어 형상에 대해 자로 길이, 단면적 및 자로의 부피는 다음과 같이 가정됩니다. 토로이달 코어는 동일한 재료 특성을 가지고 있습니다. 재료는 주어진 코어와 동일한 자기 특성을 가져야 합니다.
전계 강도 – H(Oersted) 전계 강도의 크기를 나타내는 매개변수입니다. H = .4 π NI/le(Oersted)
자속 밀도 – B(가우스) 자속 경로에 수직인 영역에서 유도 자기장의 해당 매개변수입니다.
임피던스 – Z(옴) 페라이트의 임피던스는 복소 투자율로 표현될 수 있습니다.Z = jΩLs + Rs = jΩLo(μs'- jμs”)(옴)
손실 탄젠트 - tan δ 페라이트의 손실 탄젠트는 회로 Q의 역수와 같습니다.
손실 계수 – tan δ/μi 초기 투자율이 있는 자속 밀도와 자기장 강도의 기본 구성 요소 사이의 위상 제거.
투자율(Magnetic Permeability) - μ 자속밀도와 인가교류장세기의 비로부터 유도된 투자율은…
진폭 투자율, μa - 지정된 자속 밀도 값이 초기 투자율에 사용된 값보다 큰 경우.
유효 투자율, μe – 자기 경로가 하나 이상의 에어 갭으로 구성될 때 투자율은 동일한 저항력을 제공하는 가상의 균질 재료의 투자율입니다.
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