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。
- u& n* V  G" ^* V　　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。
7 H! ~, A0 i! Z　　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。
　　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。
8 Y' G" z" a' n4 |
+ C7 Q$ d, |. u) w' [μ＝△Ｂ／△Ｈ
8 V: Y5 @# f2 }$ C) _; n
, X" N; H9 [- U　　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。

% c5 }0 n0 p4 B图1 铁氧体的B-H曲线
$ `5 K" n+ F# a& h+ ^( l
　　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。

* Y  |2 d/ E: i　　                   μ＝μ'－jμ"

- N/ c1 Q: C9 e8 P# r" P/ @图2 铁氧体的复数磁导率

/ I7 N7 P7 ]  J8 g9 @9 k　　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'


图3 铁氧体磁导率与频率的关系
0 J8 ^* S4 `1 h1 N; Z
+ \6 t8 V5 T! S% J7 a
, [4 h+ M. v7 U$ K* N% y9 r* p
图4 铁氧体抑制元件的等效电路（a）和阻抗矢量图（b）
2 T! G& \" `3 z
二、铁氧体抑制元件的阻抗和插入损耗
& t3 o4 b$ _( m1 ?5 R9 D; I. w* ^　　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。
) [/ o* Y0 G' U0 j; s& r8 f
　　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% P, D$ H6 ~3 v8 _/ ~& _6 z" S. U
　　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。
5 F" w, |* @- U6 u4 Y- i3 m
图5 铁氧体的阻抗与频率的关系

/ |! y* r: q' 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。
　　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
& L9 D% G. Y0 @4 e+ ?
4 J- z4 R) L- T1 S) [4 [: {2 m插入损耗的定义为
  
式中：Ｐ１、Ｖ１分别为抑制元件接入前，负载上的功率和电压。
6 q2 v. R! M0 HＰ２、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：
; ?' E! R1 T4 d- r- B4 B. I' ~5 k& d. 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。
! Z: i1 f' R% r$ K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。
/ F) k' Q& B+ S8 u! z+ @; B" i( z2 j１、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。
% q3 @  X+ H3 {/ _* K- r8 K　　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。
: `$ @3 c; S. x$ q4 ~+ O　　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。
0 @4 e/ `0 G) W- Y; n/ A２、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。
" Q% B9 x. F7 z1 q! b. A) x　　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。
, f! M& i6 g2 t* D' C! S- _３、铁氧体抑制元件在信号线上的应用
) s9 H: ~8 X- V# d* K" ]　　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。
　　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
/ p  D' y0 R9 h6 z& w　　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
/ V& s9 m/ A* T　　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
' t, C2 }- N) c/ R　　125　　　　　　>200MHz　　
  B- |/ E' a$ M& v' O1 K　　850           30MHz～200MHz
1 S8 H2 S( e6 j3 Q, Y3 Q. r- n　　2500         10MHz～30MHz
　　5000 　　　　<10MHz
7 a8 z9 i0 M' `% Q1 e　　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。
/ ^& o. K  l6 ]) _  ]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。
　　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。
8 o# d/ C; z5 ?8 P: T9 m( d4 e' V　　铁氧体磁管穿在电缆上后要用热缩管封好