【مقدمة: التداخل مع العداد بسيط للغاية ، ما عليك سوى وضع مغناطيس قوي بالقرب من محول الطاقة. يمكن أن يتسبب المجال المغناطيسي المطبق في إتلاف محول الطاقة وإعاقة قدرة العداد على مراقبة استخدام الكهرباء بدقة. يمكن للمغناطيس تعطيل جهاز القياس بسهولة لأنه لا يمكن اكتشافه بواسطة أنظمة مكافحة التشويش الشائعة التطبيق. لا توجد أرقام دقيقة حتى الآن لتقدير مقدار الطاقة المسروقة بهذه الطريقة ، لكن خبراء الصناعة يعتقدون أن المشكلة لا ينبغي الاستهانة بها وتستحق الحماية منها.
تستعرض هذه المقالة بإيجاز الفيزياء الكامنة وراء التداخل المغناطيسي في مصدر طاقة flyback ، وتقدم تصميمًا لمصدر طاقة flyback معزول بخرجين محصنين ضد التداخل المغناطيسي. تختتم الورقة بمناقشة الاختبارات ومقارنات الأداء بين مصدر طاقة التداخل المغناطيسي ومزود الطاقة المصمم بشكل تقليدي.
المغناطيسات والمغناطيسات
المغناطيسية الحديدية لأنوية المحولات الفريتية (تحتوي الفريت على بلورات مع أزواج قطبية مرتبة عشوائيًا يمكن إعادة ترتيبها تلقائيًا) هي مصدر تداخل محتمل ، وغالبًا ما يتطلب إعادة تصميم المحول. تُستخدم المواد الأساسية الفريتية في محولات وضع التبديل. تغير المواد المغناطيسية المغناطيسية محاذاة قطبها البلوري عند تعرضها لمجالات مغناطيسية قوية. في محولات الطاقة ، يمكن أن يكون لهذا تأثيرات متتالية على أداء المحول (والطاقة):
1. يؤدي وجود مجال مغناطيسي خارجي إلى إضعاف شدة المجال الداخلي للقلب الفريت
2. انخفاض كثافة الجريان بيتا
3. يتم تقليل التدفق المغناطيسي الكلي ، مما يقلل من الحث الأولي
4. إذا كان المجال المغناطيسي الخارجي قويًا بدرجة كافية بحيث ينخفض الحث بشكل كافٍ ، فسوف يدخل مصدر الطاقة في حالة إعادة التشغيل التلقائي حيث يرتفع تيار التبديل إلى نقطة الحد الحالية قبل حدوث نقل الطاقة المفيد. في الدوائر التي ليس لها حد تيار أولي ، يكون احتمال فشل التبديل مرتفعًا جدًا.
طورت تكامل الطاقة مصدر طاقة flyback معزول مغناطيسيًا ومخرجًا مزدوجًا قادرًا على توصيل [email protected] و [email protected] من تيار الخرج على مدى جهد دخل من 85 إلى 350VAC (الشكل 1). تتضمن نقاط التصميم تحسين المحول للتعويض عن تأثيرات المجالات المغناطيسية الخارجية ، بالإضافة إلى اختيار المكونات ووضعها.
الشكل 1: باستخدام محول مصمم بشكل صحيح ، يمكن أن يستمر مصدر طاقة flyback هذا في العمل بشكل طبيعي في وجود مجال مغناطيسي خارجي
تم تصميم التصميم باستخدام LNK3696P من عائلة منتجات LinkSwitch-XT2 900V. يدمج LNK3696P IC MOSFET بقوة 900 فولت ، ومذبذب ، وطريقة تحكم تشغيل / إيقاف بسيطة ، ومصدر تيار تحويل الجهد العالي ، وتعديل التردد ، وتحديد تيار دورة تلو الأخرى ، وإغلاق حراري ، مما يتيح حل الطاقة مع عدد قليل جدًا عناصر.
نظرًا لطريقة التحكم في التشغيل / الإيقاف ، يتم فحص الإخراج قبل كل دورة تبديل. إذا انخفض الإخراج إلى ما دون حد العتبة ، فسيتم بدء دورة التبديل. إذا كان الإخراج ضمن الحدود ، يتم تخطي دورة التبديل. خلال كل دورة تحويل ، يتم مراقبة تيار التحويل أثناء تصاعده ويتم إنهاء نبضة التحويل عندما يتجاوز التيار حدًا محددًا مسبقًا.لذلك ، تكون كل دورة تبديل بنفس الطول ويتم أيضًا إصلاح إجمالي الطاقة التي يتم توصيلها للحمل
(الشكل 2).
الشكل 2: عندما ينخفض جهد الخرج عن حد معين ، يتم توفير طاقة الخرج وقياسها بواسطة دبوس التغذية المرتدة (VEN). في الدائرة القصيرة ، سيبقى الجهد منخفضًا والطاقة مطلوبة في كل دورة على مدار الساعة.
إذا كان هناك عدد كبير جدًا من طلبات التحويل المتتالية ، فسيتم تشغيل إعادة التشغيل الوقائي ، مما يقلل من طاقة الخرج.
نظرًا لأنه لا يتم التبديل إلا عند الحاجة ، فإن كفاءته في التحميل الخفيف أعلى من محركات PWM التقليدية.
لا تتطلب طريقة التحكم في التشغيل / الإيقاف أيضًا تعويض الحلقة لأن التصميم نظام غير خطي.
تأتي الطاقة اللازمة لبدء التشغيل والتشغيل مباشرة من دبوس DRAIN ، مما يلغي الحاجة إلى لف متحيز والدوائر المرتبطة به. عند تحميل بنسبة 100٪ ، عند تطبيق مجال مغناطيسي ضار على محول مصمم تقليديًا ، يتم دفع LinkSwitch-XT2 إلى حالة إعادة التشغيل التلقائي من خلال العملية التالية:
1. يتسبب المجال المغناطيسي المطبق في انخفاض المحاثة الأولية بنسبة تصل إلى 50٪ من قيمتها المقدرة (1338 ميكرومتر)
2. مع انخفاض الحث ، يخزن اللب طاقة أقل وأقل لكل دورة تبديل
3. لمواصلة دعم الطاقة بنسبة 100٪ ، تضيف وحدة التحكم دورات تبديل إضافية لتوفير طاقة أقل بشكل متكرر
4. تعتبر سلسلة طويلة من الدورات المستمرة بتردد كامل بمثابة دائرة قصر ناتجة ومن ثم يتم بدء إعادة التشغيل التلقائي الوقائي. لا يتم تبديل الطاقة بشكل صحيح – حاول إعادة التشغيل بشكل متكرر.
لمنع إعادة التشغيل التلقائي في وجود مجال مغناطيسي خارجي ، يجب مضاعفة المحاثة الأولية من 1338 درجة مئوية إلى 2676 درجة مئوية. نظرًا للتأثير المغنطيسي الحديدي المذكور أعلاه ، فإن تطبيق مجال مغناطيسي خارجي يمكن أن يقلل من المحاثة بنسبة تصل إلى 50٪ إلى 1338 μH. مع محاثة 1338μH ، يمكن أن يبدأ مصدر الطاقة ويدعم حمولة بنسبة 100٪ دون الدخول في حالة إعادة التشغيل التلقائي.
اختيار المكونات والتخطيط
يساعد اختيار المكونات ووضعها أيضًا على تحسين المناعة ضد التداخل المغناطيسي. لمنع أي مغناطيس من الاقتراب جدًا من المحول ، يتم وضع المكونات الطويلة مثل المكثفات السائبة و Y والمخرجات حول المحول لتشكيل حاجز (الشكل 3). كما يعزز استخدام الهيكل العظمي المسطح تأثير “حاجز العناصر”.
الشكل 3: مثال على لوحة دائرة كهربائية تعرض DER-711 – وضع مكونات “طويلة” حول المحول يقلل أي مغناطيس خارجي من الاقتراب من المحول
طريقة الاختبار
يمكن تحريك المغناطيس المستخدم في الاختبار باتجاه المحول من الجانب أو الأعلى. في الاختبارات الموصوفة هنا ، تم وضع مغناطيس نيوديميوم-حديد-بورون (NdFeB) بحجم 6.35 مم مربع N35 بقوة 3451 جاوس بجوار قلب المحول لإنشاء “أسوأ حالة” تقليل في المحاثة الأولية بمقدار 50 على الأقل ٪ (الشكل 4). في ظل ظروف الاختبار هذه ، كان مصدر الطاقة قادرًا على البدء عند تحميل 100٪ وبجهد إدخال 75VAC (أسوأ حالة أيضًا).
الشكل 4. اختبار ثنائي الفينيل متعدد الكلور DER-711 بمغناطيس 3451 غاوسي موضوع مباشرة بجوار القلب (المكون الفضي في المربع الأحمر)
نتائج الاختبار ومقارنة الأداء
يجب مراعاة التداخل الكهرومغناطيسي العالي (EMI) ، وأوقات بدء التشغيل الأطول ، وانخفاض كفاءة تحويل الطاقة ، والضوضاء المسموعة المحتملة عند تصميم مصدر طاقة مناعي مغناطيسيًا. يؤدي وضع المغناطيس على القلب إلى تقليل هامش التداخل الكهرومغناطيسي المطلوب للامتثال للمعيار ، بينما يتطلب تصميم مصدر الطاقة المناعي مغناطيسيًا هامشًا أكبر للتداخل الكهرومغناطيسي. تم تصميم DER-711 بهامش EMI> 6 ديسيبل.
كما ذكر أعلاه ، عندما يتم وضع مجال مغناطيسي خارجي بالقرب من القلب ، يتناقص الحث ، مما يؤدي إلى زيادة تردد التبديل. يزداد تواتر تذبذب الاسترخاء لجهد التصريف وفقًا لذلك. اللفات المحمية وتصميم مرشح الإدخال المناسب مطلوبان للتحكم في زيادة EMI بسبب رنين الاسترخاء. بالإضافة إلى عامل EMI ، كان وقت البدء أطول عندما كان المغناطيس على قلب الحديد ، حيث زاد من 9.68 مللي ثانية إلى 15.84 مللي ثانية (الشكل 5).
الشكل 5: في وجود مجال مغناطيسي خارجي ، يزيد وقت بدء التشغيل من 9.68 مللي ثانية إلى 15.84 مللي ثانية ، أي بزيادة قدرها 6 مللي ثانية تقريبًا
في الحالة القصوى حيث يكون المغناطيس مجاورًا للمحول مباشرة ، تنخفض كفاءة النظام بنسبة 4-6٪ فقط (الشكل 6). في ظل هذه الظروف ، تزيد درجة حرارة IC بمقدار 16 درجة مئوية فقط عند التحميل الكامل. إذا كان المجال المغناطيسي المطبق أضعف ، فإن انخفاض الكفاءة وارتفاع درجة الحرارة المقابل يكونان أصغر.
الشكل 6: في أسوأ الحالات ، يؤدي وضع المغناطيس بجوار المحول إلى تقليل الكفاءة بنسبة 4-6٪ فقط
الحد الأقصى لكثافة التدفق في هذا التصميم هو 2650 Gauss ، وهو أعلى بكثير من الحد الأقصى 1500 Gauss الموصى به في تصميم LinkSwitch-XT2. نتيجة لذلك ، يتم تقليل تردد التبديل عند التحميل الكامل ، وقد يكون منخفضًا بدرجة كافية لدخول نطاق الضوضاء المسموعة. هذا ليس عيبًا عادةً لمصادر الطاقة في تطبيقات القياس.
لخص
يمكن تصميم مصدر طاقة flyback معزول محصن ضد التداخل المغناطيسي لمقياس طاقة مع الحد الأدنى من التنازلات في التصميم. تتمثل نقطة التصميم في زيادة الحث الأساسي لضمان أن مزود الطاقة به مساحة كافية للرأس للحفاظ على الحمل الكامل دون انقطاع في وجود تداخل مغناطيسي خارجي. أيضًا ، استخدام بكرة محول مسطحة ووضع مكونات طويلة حول المحول لإنشاء “حاجز” يقلل من قرب المغناطيسات الخارجية من المحول هي أيضًا استراتيجيات تصميم مفيدة.