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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。1 Y% L7 ]: b9 |! \
一、什么是铁氧体抑制元件* T5 p7 u, u7 H& x7 C- V
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。
& \+ M, I# s/ g, 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。
( w$ k; w! ~) q$ Y# m, Q8 p 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。
* y, s5 _9 Q8 L4 E6 F9 Q4 C" T 3 a/ m( c3 a+ N- i: V9 m2 @
μ＝△Ｂ／△Ｈ + B! O3 g/ g9 J! I
7 i' m* K5 o* c- t8 N+ f
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。
3 N6 x' W* c6 ~ / F. o' w0 V3 z: x* \, ^# @0 z
图1 铁氧体的B-H曲线 # `( v0 H7 G7 c4 G* S
% U/ T& @6 L7 R7 R( E/ D$ ^. B! b 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。3 g! f" d9 r; D: B0 @
0 ~0 }; p: y- A2 V8 q
μ＝μ'－jμ" ' X9 ?$ \) q5 g) e* ?3 J
/ @+ U e: s3 p3 d) h- S2 x. D, c
图2 铁氧体的复数磁导率
3 I# }+ g' Q! T) W' x 7 E5 Q- g! Q5 P, j. h
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' 2 o# k1 U4 w6 _( P
$ c, Q; v& H* c2 x- K
! l3 ?% n" T; C) _7 V8 Q图3 铁氧体磁导率与频率的关系 # c3 `/ o* `% y+ X8 w; ~
V) ^9 v) u3 Z; k4 h4 S3 z5 p
/ ]/ X) G/ Q( x3 u1 v8 v' \ % R$ [% v, s8 _, U r' O) g
图4 铁氧体抑制元件的等效电路（a）和阻抗矢量图（b）
- g1 o& T3 ?! g* j
* m/ ^9 @8 V8 R; a二、铁氧体抑制元件的阻抗和插入损耗( m C$ {' d3 n/ P# p" ]) 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。
_ ?7 R5 u7 T7 r, ~4 o4 n+ K x
6 ~% S& _/ p- Z8 A {: q 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) , o8 i: q% |2 V: [6 z& l
$ O6 S, |) z Z6 b3 f 式中：Ｋ是一个常数，与磁芯尺寸和匝数有关，ω为角频率。5 S% y' w6 u/ @; V5 g+ H5 S
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。 * i1 a7 r9 K% P7 r
% Q4 R" c9 K3 S5 r, d- j图5 铁氧体的阻抗与频率的关系
* l: T5 l/ X2 q* @
, c9 `/ q* b. {* J( g" D% A& a 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。
) ?2 F# ~: {6 V# G* O9 M 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。
" p' H" w2 {% `: X8 Z
6 @' c* S& Q1 X( A3 n图6 铁氧体抑制元件应用电路
5 c( } g0 D, g/ p; }; o) G3 Q9 c' O
4 H& e, f2 l! @ X; o2 Q$ o# d9 S. Q, l插入损耗的定义为 $ j9 K5 F% j3 W( x1 J& e
* ^9 p# q- o" [; w
式中：Ｐ１、Ｖ１分别为抑制元件接入前，负载上的功率和电压。
0 v0 Q, O4 l5 F( a# n R4 oＰ２、Ｖ２分别为抑制元件接入后，负载上的功率和电压。
/ L( x$ ^6 S+ a1 \插入损耗和抑制元件的阻抗有如下关系：
# b# q# P' _8 C. ~4 a4 N6 o+ ^
7 o- ~; @7 ^2 ]" S: W5 w 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。9 O$ H% } `3 m3 _9 Z
三、铁氧体抑制元件的应用; T- X0 }# R+ G9 L5 I8 D4 D1 O
铁氧体抑制元件广泛应用于ＰＣＢ，电源线和数据线上。5 N, T3 Z) f/ L7 f4 m
１、铁氧体抑制元件在ＰＣＢ上的应用1 I, d. _# W8 A' a8 H2 v
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。
% E7 W3 g; z' c; F8 O+ f+ C. { 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。1 a m+ d3 m; E0 }: w6 G) _
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。' B9 S' p& U) y' j) j
２、铁氧体抑制元件在电源线上的应用
, T% M: h( v5 f 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。
" N, _9 B1 u O, n3 K" d 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。2 F: O+ H2 c0 Q" `7 h
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。: @; M$ O6 K9 K: u
３、铁氧体抑制元件在信号线上的应用
0 h3 _; S. P; L# \( @: i, i+ I# N2 ^ 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。 X D# a% K* l
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。
7 f- G$ U4 t+ }7 Y5 {; ~４、铁氧体抑制元件的选择: ?' x+ K, ^# `6 M/ J4 c$ a( r
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。' Y" }$ E- o) Y% d% S
４－１铁氧体材料的选择" X, j3 M6 L l+ G, H# B2 |5 y
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：9 Z, \7 W: m7 u' h8 V
磁导率 最佳抑制频率范围
9 q0 B. [7 L0 K, S9 ? 125 >200MHz
( F0 ^$ g; R8 q& J, c" `" E' B 850 30MHz～200MHz
3 `% k- _- y% G; W* ]& Z2 Q 2500 10MHz～30MHz2 a; K& x0 q1 `0 P3 }: Q
5000 <10MHz% o/ c0 Q8 j+ E' l2 X
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。
b% _9 @0 U$ }+ k9 D' t& ]４－２ 铁氧体抑制元件尺寸的选择
) y1 o2 @+ N/ Q! ]2 h [5 S 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。, }. K$ K ], Z; h; r) M
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。, E3 O& m3 P: P! a9 P
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。3 k: s! }* `6 H4 ?8 x- N0 k
５、铁氧体抑制元件的安装 y2 i+ N1 E; h# r
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。
# x2 \9 F; H2 t' t: r; H 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。
, O# f3 l0 O% t6 J R4 X; m 铁氧体磁管穿在电缆上后要用热缩管封好 |
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