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。
　　一、什么是铁氧体抑制元件
　　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。
# B3 @$ a" k( ^' o0 Q7 ~　　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。
! R5 k1 O9 v! E" _: T4 H# C　　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。

μ＝△Ｂ／△Ｈ
- R( w" _8 V2 S. [, E8 w
　　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。
# C2 ?2 \- Y% \- G) j3 q4 k
图1 铁氧体的B-H曲线

　　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。
6 t+ c. {7 \, }
　　                   μ＝μ'－jμ"

图2 铁氧体的复数磁导率

# F, y3 O! }, Z( C* [& U+ 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'
) n1 K# K/ @$ i

: h6 {9 n, [" F9 D7 K. S( V9 w' P图3 铁氧体磁导率与频率的关系
5 E9 L" `. G( c* Z
% H3 U  X0 T+ K9 q) n3 {/ G

图4 铁氧体抑制元件的等效电路（a）和阻抗矢量图（b）

/ w+ _& L! b+ V6 g# N! J二、铁氧体抑制元件的阻抗和插入损耗
; K& |: i% J  \4 m( ~+ f7 \" P　　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。

. D' F& i5 O! p: G) C! V( F7 j. Z1 Y. U　　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)
- U; @/ c1 [# E% L2 g
　　式中：Ｋ是一个常数，与磁芯尺寸和匝数有关，ω为角频率。
　　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。

% P$ n( e% ], y4 T0 Y图5 铁氧体的阻抗与频率的关系
' ^+ F8 G+ I& D. b' A/ P; M7 b
　　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。
  |% Q3 i$ m( {3 m3 K8 W. H　　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

- Q0 |( Q& Z1 N* L* i0 E: t插入损耗的定义为
: M! J0 n  R0 y3 i  
式中：Ｐ１、Ｖ１分别为抑制元件接入前，负载上的功率和电压。
9 I& I) l  w) h" {Ｐ２、Ｖ２分别为抑制元件接入后，负载上的功率和电压。
插入损耗和抑制元件的阻抗有如下关系：
+ O8 Y$ [; ?) l; X' I  
　　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。
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。
１、铁氧体抑制元件在ＰＣＢ上的应用
　　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。
( W; N; H) c. A0 ]9 `1 W　　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。
, L" E3 e# Y) [3 ~* o7 l; c9 M) B　　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
　　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。
　　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。
: q4 ?/ R  S, K8 `6 K３、铁氧体抑制元件在信号线上的应用
. ^- U% D! Y, z7 H　　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。
1 V. Q  x. \4 ~　　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。
４、铁氧体抑制元件的选择
7 B7 l3 {9 W5 h　　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
　　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：
4 ]/ I9 b1 Y9 i" E; y- W. v  q6 ^　　磁导率　　　　最佳抑制频率范围
5 G9 `, t; q  f. g　　125　　　　　　>200MHz　　
　　850           30MHz～200MHz
# |0 g* E' S* l, C& r　　2500         10MHz～30MHz
　　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。
" n' Z7 Y7 Y- M- v' I6 z４－２　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。
% D. C: B* r2 a: ]/ F　　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。
５、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。
　　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。
　　铁氧体磁管穿在电缆上后要用热缩管封好