铁氧体(铁氧体磁环-铁氧体磁珠)在抑制电磁干扰(EMI)中的应用

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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。
! @4 S+ N: _8 o  f　　一、什么是铁氧体抑制元件
# S8 D5 N3 T, {' a& q　　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。
　　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。
6 Z7 a+ B8 u5 M. ]  M& S　　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。
- H" Z6 U9 k& W9 D
μ＝△Ｂ／△Ｈ
4 R% {# L) n; A
　　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。

: T9 z5 D* a! v8 ]0 A6 O- N$ b5 j图1 铁氧体的B-H曲线
) D. o1 ]" G: [+ X6 t5 X
! `. ]5 L' k& u5 I　　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。
8 k7 t3 ]- i/ h% b
　　                   μ＝μ'－jμ"

图2 铁氧体的复数磁导率
7 O* y  j) O7 k, B
　　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'
% A% v2 |( p  {0 _; x

! I% h  o7 J2 q9 Y图3 铁氧体磁导率与频率的关系
6 f; k1 w$ w4 M% D) z
, A) p+ o5 j  i  S! h
) K$ ^3 S$ k: C$ J2 T
4 Y) }9 e+ s0 D; Y$ T图4 铁氧体抑制元件的等效电路（a）和阻抗矢量图（b）
$ [, i8 v! b% _& E) T4 a, C
% q) i  _: u; }, c# _4 C+ {8 \3 w二、铁氧体抑制元件的阻抗和插入损耗
　　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 q4 L9 V0 g' z. \7 p' I　　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)

　　式中：Ｋ是一个常数，与磁芯尺寸和匝数有关，ω为角频率。
- i4 T8 H6 [& a　　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。
# _; L3 M  V: c. d0 z
图5 铁氧体的阻抗与频率的关系

3 r/ f" _- [4 T5 }- r1 w  n1 j, \$ S. ^　　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。
　　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。

图6 铁氧体抑制元件应用电路
7 R9 j- }# y. w4 O6 h
插入损耗的定义为
2 _) A  ?# x+ T1 T  g7 k  
: D# R" u6 D* F0 Z9 u2 @. P式中：Ｐ１、Ｖ１分别为抑制元件接入前，负载上的功率和电压。
Ｐ２、Ｖ２分别为抑制元件接入后，负载上的功率和电压。
% Q* k* ^. r" ]" ?, k- C$ o插入损耗和抑制元件的阻抗有如下关系：
3 }7 {) E, j# v  
　　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。
$ K0 U8 n# a% @% [! D! \, A. P三、铁氧体抑制元件的应用
　　铁氧体抑制元件广泛应用于ＰＣＢ，电源线和数据线上。
, m( C" \. f! p/ V0 b  [0 z１、铁氧体抑制元件在ＰＣＢ上的应用
( J3 I; S6 L, z. @& u5 N9 s! {　　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。
1 s1 b" U( _/ k! A% w' n$ l; T　　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。
7 w* |6 L! h! ?9 q" p　　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。
２、铁氧体抑制元件在电源线上的应用
( f# N: j% R7 h% j: \# \　　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。
! y' h6 m+ D0 M( [3 {& ~- P　　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。
　　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。
３、铁氧体抑制元件在信号线上的应用
* T$ f; X1 p" k9 \& i　　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。
% a! F2 o, S9 U" x- _& [　　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。
; F; G" _' }; D  P! G5 f４、铁氧体抑制元件的选择
　　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。
４－１铁氧体材料的选择
$ F1 n: v" y" {& v. }- s　　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：
　　磁导率　　　　最佳抑制频率范围
　　125　　　　　　>200MHz　　
# o4 C+ z# \) @　　850           30MHz～200MHz
1 O- W: y2 z; n$ X& u+ i4 m　　2500         10MHz～30MHz
8 _; ~+ @, `- a+ d, D　　5000 　　　　<10MHz
　　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。
４－２　铁氧体抑制元件尺寸的选择
　　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。
; N- w5 d% E# y4 r6 a% u0 u/ T. t　　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。
　　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。
# W$ z. L: I" v+ w! K: a1 L５、铁氧体抑制元件的安装
　　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。
7 p. ~3 a. m3 o/ S　　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。
8 }+ U* i+ w; F* b　　铁氧体磁管穿在电缆上后要用热缩管封好