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
  F1 \7 F: T# q9 P  c, I　　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。
  h, H. D8 L. L' B　　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" a4 v7 {8 z" ?
+ [# W1 W$ t8 D/ e- N% Iμ＝△Ｂ／△Ｈ
* ?$ {) V2 i1 @9 }3 H
　　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。

# w0 M6 c8 B4 X3 p$ ?* {5 e图1 铁氧体的B-H曲线
+ s3 @  \1 ^+ E: ~8 E
7 L* y+ S2 W9 k# o: P　　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。
% o* j4 M0 V: u: W: y1 _5 D9 p7 D7 Y
7 I; X2 |7 B7 p3 n. `( N+ Q4 _　　                   μ＝μ'－jμ"
0 \6 B- ?( ^8 s! ], Q* _
, I" s) z, T& f& c3 O. X7 f+ D$ ?: Y图2 铁氧体的复数磁导率
- M( r% |9 u# d" x
: _9 N8 p# W6 _( e- L　　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


2 X# F! G% s0 ^* X8 R
图4 铁氧体抑制元件的等效电路（a）和阻抗矢量图（b）
1 n5 R4 W  P0 _; z
% j3 j  v+ ^+ w1 p# Q7 H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。
! `: C& O- A4 K" y
: N  m' a1 t! f  \- ~- W' n　　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。
# S$ v* M/ j9 N& D) B　　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。

: K6 \. v  R" v4 ]- t& O0 J) i. ]图5 铁氧体的阻抗与频率的关系
5 [- I: G0 d" `1 \
+ a. a, d6 y4 u- z$ z, `　　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。
- L; S1 W6 o" P' t! V* b+ i& V! [
图6 铁氧体抑制元件应用电路
- Q, c& _5 g" _" w
# d) a1 q! f3 |. ^/ D! _/ G插入损耗的定义为
  
. g% Q& Q7 b7 `0 }) a, E式中：Ｐ１、Ｖ１分别为抑制元件接入前，负载上的功率和电压。
  x) Z' x6 Q: @2 g. x8 qＰ２、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：
; y8 w4 u% k. }' T' |* ~  
! A" ?* P& O: X9 B$ s( r+ f: j; g; ]　　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。
, T! u; u$ J* c: o2 V１、铁氧体抑制元件在ＰＣＢ上的应用
  a+ G) n  m1 p( i1 @; ?& L" e1 Q' W　　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。
　　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。
　　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。
" \& |% H7 {- H% [7 z: P1 m２、铁氧体抑制元件在电源线上的应用
- _- o- m. e" G5 g　　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。
( U6 q( q2 E9 g３、铁氧体抑制元件在信号线上的应用
% o. g0 R% S& x2 ~　　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。
& n; P9 B2 R7 w6 G) z# _# J0 g: h) g1 ?　　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
　　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：
% Z, L! ?" A3 A! i- P' C; F　　磁导率　　　　最佳抑制频率范围
5 D) ]& p3 V% K3 f7 N4 ~/ j; ^　　125　　　　　　>200MHz　　
+ _5 p1 a1 J9 L# U: g/ c; c　　850           30MHz～200MHz
　　2500         10MHz～30MHz
　　5000 　　　　<10MHz
$ s) B5 O  W; F5 b* K; }$ b9 F　　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。
- z# [. ^: [6 b! X( f: S2 t４－２　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。
* ?8 C& V$ x. O( b7 ?/ y$ 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。
　　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
0 K) b9 ^3 G9 R  ~- u* t1 n　　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 Y: u1 W$ l/ {! W/ F' ?6 d4 j  ]. J　　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