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。
: g* g- S  V( S　　一、什么是铁氧体抑制元件
5 o) n1 h5 D: ?/ S+ I% f　　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。
. @" g  [/ t& X/ W4 ]　　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。
/ {0 J. e# [' [6 W& J% {* q5 o$ 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。
& D3 P( e2 i; G
μ＝△Ｂ／△Ｈ

: N; N* {2 S  o) L) X  B0 g, n/ F/ j　　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。
! D% W$ G% ?) l5 i, Z; }9 ?% t
图1 铁氧体的B-H曲线
, L- b0 j- o5 {$ @7 y" r
　　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。

　　                   μ＝μ'－jμ"

图2 铁氧体的复数磁导率
& F. G5 }- D! {9 y! }: y+ j' Z. T* L( V
& m% {+ N% V4 Y, x4 K! s" @　　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'
/ z" O( E% V( W& i  Z5 \4 K! T
' k/ j4 Q3 O# _# f5 r) X8 T
图3 铁氧体磁导率与频率的关系
8 r+ @" N; f/ P- P( C7 Y
5 R7 z- Z8 b. _0 I

图4 铁氧体抑制元件的等效电路（a）和阻抗矢量图（b）

: X+ B$ j; D! L" w1 J% o! G/ t二、铁氧体抑制元件的阻抗和插入损耗
7 e3 q( B# M; r: o+ W  g　　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。
* t  J0 G/ H0 \: z2 W, B" O+ C9 q
　　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。
7 L1 Q# ], X4 E　　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。
! m! X( b/ Y2 e$ E% R
6 P- u4 Q3 _! E) {图5 铁氧体的阻抗与频率的关系

, L7 }3 J' D2 X4 k0 {　　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。
4 {- ]5 Z* X; o9 l, q9 v  R" [
图6 铁氧体抑制元件应用电路

+ U% t6 t9 Q0 b0 q插入损耗的定义为
4 b$ b9 r) ?6 T7 e  
5 g7 X- ~! F/ U4 S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。
% K  I0 D# D* V. l( \: @插入损耗和抑制元件的阻抗有如下关系：
  
　　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。
) r( Y; g+ f/ f  V  m, i! U三、铁氧体抑制元件的应用
2 E) m7 p1 q9 |  }! N6 y) O　　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。
　　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。
; }$ v9 h" k/ f2 ]4 X　　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。
# ?! J8 M* y1 H２、铁氧体抑制元件在电源线上的应用
. _) |1 v2 |- e　　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。
+ f* u; j" y6 |/ E: C9 s) U+ e2 d　　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
- U+ r# f- m4 J$ E, j3 |　　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。
) V; f9 Q# ~1 B# a* Y" o' S- R. c　　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 \  ^& }5 k& `' C7 U6 Z- J6 j４、铁氧体抑制元件的选择
% H5 H& L9 m4 j* S) 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
　　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：
+ e) s$ X/ i7 R' [; B　　磁导率　　　　最佳抑制频率范围
+ S" N9 z. B9 g9 y- x　　125　　　　　　>200MHz　　
: y, a! \  q) O  Y" E0 _　　850           30MHz～200MHz
　　2500         10MHz～30MHz
　　5000 　　　　<10MHz
$ f" C5 U8 p6 r( Z- d& `% ]　　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。
' I/ d2 e! d' c" w9 K４－２　铁氧体抑制元件尺寸的选择
6 j' v3 D+ s! u& `! ?, K　　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。
5 Q, w* Y+ m: g( D+ d. I; R　　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。
. n" Q) o- J2 J4 K5 p　　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。
1 E8 z' v8 T# N: B- H５、铁氧体抑制元件的安装
) \) x0 s( n# j6 ]6 {$ B　　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