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用铁氧体磁性材料抑制电磁干扰（ＥＭＩ）是经济简便而有效的方法，已广泛应用于计算机等各种军用或民用电子设备。那么什么是铁氧体呢？如何选择，怎样使用铁氧体元件呢？这篇文章将对这些问题作一简要介绍。( L6 b7 u9 j" _# h
一、什么是铁氧体抑制元件( L( H8 _& r! [
铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料，它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似。但颜色为黑灰色，故又称黑磁或磁性瓷。铁氧体的分子结构为ＭＯ·Ｆe2Ｏ3，其中ＭＯ为金属氧化物，通常是ＭnＯ或ZnＯ。
% }2 F: I% E! l 衡量铁氧体磁性材料磁性能的参数有磁导率μ，饱和磁通密度Ｂs，剩磁Ｂr和矫顽力Ｈc等。
7 L: A* M0 n/ G* F7 X* |% n 对于抑制用铁氧体材料，磁导率μ和饱和磁通密度Ｂs是最重要的磁性参数。磁导率定义为磁通密度随磁场强度的变化率。 1 e8 f' ~- _" n9 i- Y$ y: }) f0 L
- b" S9 {6 _. X: u7 g |( Y, Wμ＝△Ｂ／△Ｈ
3 W' y+ ]3 V5 R2 ]3 k$ c6 @8 t
# y& j: E. V6 ]; W. k5 N 对于一种磁性材料来说，磁导率不是一个常数，它与磁场的大小、频率的高低有关。当铁氧体受到一个外磁场Ｈ作用时，例如当电流流经绕在铁氧体磁环上的线圈时，铁氧体磁环被磁化。随着磁场Ｈ的增加，磁通密度Ｂ增加。当磁场Ｈ场加到一定值时，Ｂ值趋于平稳。这时称作饱和。对于软磁材料，饱和磁场Ｈ只有十分之几到几个奥斯特。随着饱和的接近，铁氧体的磁导率迅速下降并接近于空气的导磁率(相对磁导率为１）如图１所示。
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3 u& N9 _6 I; _图1 铁氧体的B-H曲线
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* @# N+ {" X( \, B4 u' `5 Y 铁氧体的磁导率可以表示为复数。实数部分μ'代表无功磁导率，它构成磁性材料的电感。虚数部分μ"代表损耗，如图２所示。. t o% R' w" c$ g6 n
# X, [: i+ k) X& ^5 k9 A+ D μ＝μ'－jμ" . c: d& X" s: V- ^# z Z
6 w* y+ w1 l" m0 u! T8 K, k4 |
图2 铁氧体的复数磁导率 . k' K; S% ^/ u3 s5 @ z* N
. i1 n$ e# q& _2 e. ?3 ? 磁导率与频率的关系如图３所示。在一定的频率范围内μ'值（在某一磁场下的磁导率）保持不变，然后随频率的升高磁导率μ'有一最大值。频率再增加时，μ'迅速下降。代表材料损耗的虚数磁导率μ"在低频时数值较小，随着频率增加，材料的损耗增加，μ"增加。如图３所示，图中tanδ=μ"/μ' # O% H8 K7 U2 `2 y5 {# G N
0 p. ?1 H9 O( R8 c# z D
, W5 f8 Y: ^1 s: j4 M$ G3 ]
图3 铁氧体磁导率与频率的关系
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" x0 h1 R6 e! u* `+ V: h
) o! b5 w9 v) ]
图4 铁氧体抑制元件的等效电路（a）和阻抗矢量图（b）
6 P( E( f' W9 {" ^! M$ y8 v: P l; _/ P, i0 ^/ M" ^
二、铁氧体抑制元件的阻抗和插入损耗. p. n. a8 j! N2 g
当铁氧体元件用在交流电路时，铁氧体元件是一个有损耗的电感器，它的等效电路可视为由电感Ｌ和损耗电阻Ｒ组成的串联电路，如图４所示。
0 Z0 T( F5 Z0 K, y" Q r8 b9 o7 ~
: `, k i; |1 ? 铁氧体元件的等效阻抗Ｚ是频率的函数Z(f)=R(f)+jωL(f)=Kωμ"(f)+jKωμ'(f) ! h w+ u7 P4 |5 x2 r
+ Y$ D3 q9 q C+ P \
式中：Ｋ是一个常数，与磁芯尺寸和匝数有关，ω为角频率。! U$ R/ F q( R& E- k
损耗电阻Ｒ和感抗jωＬ都是频率的函数，图５是材料８５０磁珠的阻抗、感抗和电阻与频率的关系。在低频端（<１０ＭＨｚ）阻抗小于１０Ω，随着频率的增加，由于电阻分量增加，使阻抗增加，电阻逐渐成为主要部分。在频率超过１００ＭＨｚ时，磁珠的阻抗将大于１００Ω。这样就构成一个低通滤波器，使高频噪音信号有大的衰减，而对低频有用信号的阻抗可以忽略，不影响电路的正常工作。这种滤波器优于普通纯电抗滤波器。后者会产生谐振，造成新的干扰，而铁氧体磁珠则没有这种现象。 8 Y& P2 O$ ?1 K5 v6 F
' p. g* j& x1 n# x2 ]' F. b
图5 铁氧体的阻抗与频率的关系 ; K9 T$ [7 S/ R. V7 B/ O+ F0 E) ]
5 N' e- y9 r9 M' O& s- M
铁氧体抑制元件应用时的等效电路如图６所示。图中Ｚ为抑制元件的阻抗，Ｚs和ＺＬ分别为源阻抗和负载阻抗，Ｚ为铁氧体抑制元件的阻抗。+ z8 R' E2 p+ W$ C$ ]
通常用插入损耗表示抑制元件对ＥＭＩ信号的衰减能力。器件的插入损耗越大，表示器件对ＥＭＩ噪音抑制能力越强。
/ J% P5 c$ x& q% ]/ Q/ O+ y # N7 N9 S$ j! P
图6 铁氧体抑制元件应用电路 ! S. y, {. y7 [. F; B9 q5 _
- t' d9 _7 t1 s. X
插入损耗的定义为
; ~9 ]! l) e- q; k % F. {* ?( P* W4 T$ w1 g* ~! _1 y
式中：Ｐ１、Ｖ１分别为抑制元件接入前，负载上的功率和电压。
/ S' X6 h& \) K/ ^2 o8 v1 kＰ２、Ｖ２分别为抑制元件接入后，负载上的功率和电压。
$ U7 r8 l: L, n/ {插入损耗和抑制元件的阻抗有如下关系：
% K' X3 s: L% E' g4 l
1 u5 ?; I/ u f5 R 由上式可见，在源阻抗和负载阻抗一定时抑制元件的阻抗越大，抑制效果越好。由于抑制元件的阻抗是频率的函数，所以插入损耗也是频率的函数。抑制元件的阻抗包括感抗和电阻部分，两部分对插入损耗都有贡献。在低频时，铁氧体的μ"的值较小，损耗电阻较小，主要是感抗起作用。在高频端，铁氧体的μ'值开始下降，而μ"值增大，所以损耗起主要作用。低频时，ＥＭＩ信号被反射而受到抑制，在高频端，ＥＭＩ信号被吸收并转换成热能。
7 Y* f8 l/ Y4 C; r- l4 b三、铁氧体抑制元件的应用- z! |# f4 n4 v$ t$ V2 P
铁氧体抑制元件广泛应用于ＰＣＢ，电源线和数据线上。
( R! m5 d2 b1 O3 f- [+ L１、铁氧体抑制元件在ＰＣＢ上的应用- V6 b) w, H Y8 {
ＥＭＩ设计的首要方法是抑源法，即在ＰＣＢ上的ＥＭＩ源将ＥＭＩ抑制掉。这个设计思想是将噪音限制在小的区域，避免高频噪音耦合到其他电路，而这些电路通过连线可能产生更强的辐射。0 ?% T' ?# H% U. ?2 }! J3 u* x
ＰＣＢ上的ＥＭＩ源来自周期开关的数字电路。其高频电流在电源线和地之间产生一个共模电压降，造成共模干扰。电源线或信号线会将ＩＣ开关的高频噪声传导或辐射出去。
2 L& W Y8 i& L! l 在电源线和地之间加一个去耦电容，使高频噪音短路，但是去耦电容常常会引起高频谐振，造成新的干扰。在电路板的电源进口加上铁氧抑制磁珠会有效的将高频噪音衰减掉。; V; t0 N, i$ w; V' V; f6 i# P
２、铁氧体抑制元件在电源线上的应用
4 ` ?1 C7 l' D3 l7 C+ U 电源线会把外界电网的干扰、开关电源的噪音传到主机。在电源的出口和ＰＣＢ电源线的入口设置铁氧体抑制元件，既可抑制电源与ＰＣＢ之间的高频干扰的传输，也可抑ＰＣＢ之间高频噪音的相互干扰。
; ~7 _5 E5 p" x, A I7 W' V; f3 } 值得注意的是，在电源线上应用铁氧体元件时有ＤＣ偏流存在。铁氧体的阻抗和插入损耗随着ＤＣ偏流的增加而减少。当偏流增加到一定值时，铁氧体抑制元件会出现饱和现象。在ＥＭＣ设计时要考虑饱和或插入损耗降低的问题。铁氧体的磁导率越低，插入损耗受ＤＣ偏流的影响越小，越不易饱和。所以用在电源线上的铁氧体抑制元件，要选择磁导率低的材料和横截面积大的元件。
7 B1 p s: K X5 F 当偏流较大时，可将电源的出线（ＡＣ的火线，ＤＣ的十线）与回线（ＡＣ的中线，ＤＣ的地线）同时穿入一个磁管。这样可避免饱和，但这种方法只抑制共模噪音。
5 Z# ]$ B: M# G$ q３、铁氧体抑制元件在信号线上的应用
% E4 \6 Y+ c1 {' o: M3 m9 |1 | 铁氧体抑制元件最常用的地主就是信号线，例如在计算机中，ＥＭＩ信号会通过主机到键盘的电缆线传入到主机的驱动电路，而后耦到ＣＰＵ，使其不能正常工作。主机的数据或噪音也可通过电缆线传出去。铁氧体磁珠可用在驱动电路与键盘之间，将高频噪音抑制。由于键盘的工作频率在１ＭＨｚ左右，数据可以几乎无损耗地通过铁氧体磁珠。" Z; M% y% X( |% r
偏平电缆也可用专用的铁氧体抑制元件，将噪音抑制在其辐射之前。
$ ~: |' K' W0 p1 p6 Q４、铁氧体抑制元件的选择
9 d) f% \7 q0 F9 g 铁氧体抑制元件有多咱材料和各种形状、尺寸供选择。为选择合适的抑制元件，使对噪音的抑制更有效，设计者必须知道需要抑制的ＥＭＩ信号的频率和强度，要求抑制的效果即插入损耗值以及允许占用的空间包括内径、外径和长度等尺寸。+ ~( q/ `, Q7 E- y
４－１铁氧体材料的选择) N0 E4 J" P$ |8 W. H5 h7 t' V
不同的铁氧体抑制材料，有不同的最佳抑制频率范围，与磁导率有关。通常材料的磁导率越高，适用抑制的频率就越低。下面是常用的几种抑制铁氧体材料的适用频率范围：/ W# N2 m( R4 u9 K' @, S0 c) C
磁导率 最佳抑制频率范围8 a& [5 ^4 `& P. e/ ]5 X/ T
125 >200MHz
0 j+ S9 K% C; r 850 30MHz～200MHz( h! J3 y; Q, `
2500 10MHz～30MHz* B$ c+ T- O7 |3 o! }# O
5000 <10MHz" g5 \' v% ^/ j
在有ＤＣ或低频ＡＣ偏流情况下，要考虑到抑制性能的下降和饱和，尽量选用磁导率低的材料。$ P+ X$ S; O: ~% K" ]9 n
４－２ 铁氧体抑制元件尺寸的选择
8 _! t/ R: H( ]; H: F 铁氧体材料选定之后，需要选定抑制元件的形状和尺寸。抑制元件的形状和影响到对噪音抑制的效果。6 V( }/ @ g4 p
一般来说，铁氧体的体积越大，抑制效果越好。在体积一定时，长而细的形状比短而而粗的形状的阻抗要大，抑制效果更好。但在有ＤＣ或ＡＣ偏流的情况下，要考虑到饱和问题。铁氧体抑制元件的横截面积越大，越不易饱和，可承受的偏流越大。另外，铁氧体的内径越小，抑制效果越好。
) l. Y) h; S Z4 i+ A7 G) G% s 总之，铁氧体抑制元件选择的原则是，在使用空间允许的条件下，选择尽量长，尽量厚和内孔尽量小的铁氧体抑制元件。
1 N# H, i: v1 a５、铁氧体抑制元件的安装7 w& m' Y" k) U2 U
同样的铁氧体抑制元件，由于安装的位置不同，其抑制效果会有很大区别。6 q: T9 A. p* w3 p0 C0 ~3 Y
在大部分情况下，铁氧体抑制元件应安装在尽可能接近干扰源的地方。这样可以防止噪音耦合到其他地方，在那些地方可能噪音更难以抑制。但是在Ｉ／Ｏ电路，在导线或电缆进入或引出屏蔽壳的地方，铁氧体器件，应尽可能靠近屏蔽壳的进出口处，以避免噪音在经过铁氧体抑制元件之前耦合到其他地方。
5 o3 ^6 |' n ? Y 铁氧体磁管穿在电缆上后要用热缩管封好 |
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