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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  <table height="249" cellspacing="0" cellpadding="0" width="545" border="0"><tbody><tr><td width="758" colspan="2" height="148"><p class="text">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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。<br />　　一、什么是铁氧体抑制元件<br />　　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。<br />　　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。<br />　　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。 </p></td></tr><tr><td width="760" colspan="2" height="22"><p class="text1" align="center">μ＝△Ｂ／△Ｈ </p></td></tr><tr><td width="498" height="26"><p class="text">　　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。 </p></td><td width="262" height="26"><p align="center"><img height="108" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/tytyy3&#46;gif" width="180" border="0" /><br /><font class="text1" size="2">图1 铁氧体的B-H曲线</font> </p></td></tr><tr><td width="499" height="18"><p class="a"><span class="text">　　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&quot;代表损耗，如图２所示。</span><br /><br />　　&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; <span class="text1">μ＝μ'－jμ&quot;</span> </p></td><td width="261" height="18"><p align="center"><img height="120" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/tytyy4&#46;gif" width="200" border="0" /><br /><font class="text1" size="2">图2 铁氧体的复数磁导率</font> </p></td></tr><tr><td width="758" colspan="2" height="18"><p class="text">　　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&quot;在低频时数值较小，随着频率增加，材料的损耗增加，μ&quot;增加。如图３所示，图中tanδ=μ&quot;/μ' </p></td></tr><tr><td width="758" colspan="2" height="18"><p align="center"><img height="231" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/tytyy5&#46;gif" width="328" border="0" /><br /><font class="text1" size="2">图3 铁氧体磁导率与频率的关系</font> </p></td></tr><tr><td width="758" colspan="2" height="18"><p align="center"><img height="112" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/tytyy6&#46;gif" width="376" border="0" /> </p></td></tr><tr><td width="758" colspan="2" height="18"><p align="center"><font class="text1" size="2">图4 铁氧体抑制元件的等效电路（a）和阻抗矢量图（b）</font> </p></td></tr><tr><td class="text" width="760" colspan="2" height="18"><p class="a">二、铁氧体抑制元件的阻抗和插入损耗<br />　　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。 </p></td></tr><tr><td class="text" width="758" colspan="2" height="18"><p class="a">　　铁氧体元件的等效阻抗Ｚ是频率的函数Z(f)=R(f)+jωL(f)=Kωμ&quot;(f)+jKωμ'(f) </p></td></tr><tr><td width="498" height="18"><p class="text">　　式中：Ｋ是一个常数，与磁芯尺寸和匝数有关，ω为角频率。<br />　　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（&lt;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></td><td width="262" height="18"><p align="center"><img height="214" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/tytyy7&#46;gif" width="225" border="0" /><br /><font class="text1" size="2">图5 铁氧体的阻抗与频率的关系</font> </p></td></tr><tr><td width="497" height="18"><p class="text" align="left">　　<a href="http://www&#46;emchome&#46;net">铁氧体</a>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。<br />　　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<a href="http://www&#46;emcgarden&#46;net">插入损耗</a>越大，表示器件对ＥＭＩ噪音抑制能力越强。 </p></td><td width="263" height="18"><p align="center"><img height="124" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/tytyy8&#46;gif" width="230" border="0" /><br /><font class="text1" size="2">图6 铁氧体抑制元件应用电路</font> </p></td></tr><center><tr><td width="499" height="18"><p class="a"><span class="text">插入损耗的定义为</span> </p></td><td width="261" height="18"><img height="29" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/tytyyGS1&#46;gif" width="144" border="0" /></td></tr><tr><td width="497" height="18"><p class="text">式中：Ｐ１、Ｖ１分别为抑制元件接入前，负载上的功率和电压。<br />Ｐ２、Ｖ２分别为抑制元件接入后，负载上的功率和电压。<br />插入损耗和抑制元件的阻抗有如下关系： </p></td><td width="263" height="18"><img height="29" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/tytyyGS2&#46;gif" width="150" border="0" /></td></tr><tr><td width="760" colspan="2" height="867"><p class="a"><span class="text">　　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&quot;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&quot;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。</span><br /><span class="title4">三、铁氧体抑制元件的应用</span><br /><span class="text">　　铁氧体抑制元件广泛应用于ＰＣＢ，电源线和数据线上。<br /></span><span class="title4">１、铁氧体抑制元件在ＰＣＢ上的应用</span><span class="text"><br />　　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。<br />　　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。<br />　　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。<br /></span><span class="title4">２、铁氧体抑制元件在电源线上的应用</span><span class="text"><br />　　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。<br />　　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。<br />　　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。<br /></span><span class="title4">３、<a>铁氧体抑制元件</a>在信号线上的应用</span><span class="text"><br />　　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。<br />　　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。<br /></span><span class="title4">４、铁氧体抑制元件的选择</span><span class="text"><br />　　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。<br /></span><span class="title4">４－１铁氧体材料的选择</span><span class="text"><br />　　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：<br />　　磁导率　　　　最佳抑制频率范围<br />　　125　　　　　　&gt;200MHz　　<br />　　850&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 30MHz～200MHz<br />　　2500&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 10MHz～30MHz<br />　　5000 　　　　&lt;10MHz<br />　　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。<br /></span><span class="title4">４－２　铁氧体抑制元件尺寸的选择</span><span class="text"><br />　　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。<br />　　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。<br />　　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。<br /></span><span class="title4">５、铁氧体抑制元件的安装</span><span class="text"><br />　　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。<br />　　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。<br />　　铁氧体磁管穿在电缆上后要用热缩管封好。</span></p></td></tr></center></tbody></table>

hdama

[s:9]  [s:12]  [s:11]

luoyue

正需要这方面的理论知识，多谢！！！ [s:9]

pop6410

可以研究一下！

kany9999

DC偏流是什么意思？ 怎样产生的，有什么危害？

wangzhimeng

不错。但是，磁环是怎么得出上面的模型的啊？具体点。

zhongting

study

龙成天下

谢谢。。受益匪浅！！谢谢。。受益匪浅！！ [s:12]  [s:11]

liuge831

不错不错，现在超微晶材料制作的磁环要比铁氧体对于干扰抑制的要好

curemanson

怎么图片都看不见？？