干擾抑制鐵氧體磁環(huán)淺析及應(yīng)用

陳高冰

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，福建 福州 350000）

0 引言

鐵氧體磁性材料，一般是指氧化鐵(Fe2O3)和其他金屬（例如錳，鋅，鎳）氧化物的復(fù)合氧化物[1-2]。電磁干擾抑制鐵氧體磁環(huán)由于其使用簡單免接地設(shè)計且價格低廉等優(yōu)勢倍受開發(fā)設(shè)計人員的青睞。干擾抑制鐵氧體磁環(huán)已廣泛應(yīng)用于各類電子電器等產(chǎn)品領(lǐng)域的噪聲抑制[3]。但作為一種損耗式濾波器，很多測試工程師不了解其特性而盲目使用導(dǎo)致時間和資源浪費卻達不到預(yù)期效果[4]。本文從干擾抑制鐵氧體磁環(huán)工作原理入手，通過對磁導(dǎo)率、阻抗、損耗因子和頻率的特征關(guān)系的分析，給出了抑制鐵氧體磁環(huán)選型的原則，并通過實例測試驗證了原則的可行性，在電磁兼容整改領(lǐng)域有一定的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

1 電磁干擾抑制鐵氧體磁環(huán)工作原理

在EMC領(lǐng)域，通常使用濾波器來濾波，而用插入損耗來表示濾波器對騷擾衰減的能力的大小，所以插入損耗越大越好。插入損耗可用式（1）表示：

式中，P1、V1分別表示在干擾抑制鐵氧體元器件接入之前負載上的功率和電壓，P2、V2表示干擾抑制元器件接入后的負載功率和電壓參數(shù)。圖1為抑制鐵氧體器件等效電路。

進而插入損耗可表達為：

式中，Z為抑制元件的阻抗，ZS和ZL分別為源阻抗和負載阻抗。

在交流電路中，抑制干擾鐵氧體磁環(huán)可等效于一個有損的電感器，其等效電路可看成一個由電感L和損耗電阻R構(gòu)成的串聯(lián)電路，如圖2所示。

抑制鐵氧體元件的等效復(fù)阻抗Z可表達為如下的函數(shù)：

由上式可以看出損耗電阻R和感抗 都是頻率的函數(shù)。因此插入損耗也為頻率的函數(shù)。在低頻段時，抑制干擾鐵氧體磁環(huán)呈現(xiàn)出很低的感性阻抗值，不影響數(shù)據(jù)線上的有用信號的傳輸。此時，阻抗主要由電感的感抗構(gòu)成，電磁干擾被反射而受到抑制，磁芯的損耗較小，整個器件等效為一個低損耗、高品質(zhì)因素Q特性的電感。而在高頻段，鐵氧體元件主要呈現(xiàn)電阻抗特性并且隨頻率改變。頻率升高，感抗成分減小，電阻成分增加，導(dǎo)致總阻抗增加。此時構(gòu)成了一個低通濾波器，使高頻干擾信號有較大的衰減，而可以忽略對低頻有用信號的阻抗值。這樣高頻的電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能的形式消耗掉，同時不影響電路的正常工作。

2 干擾抑制鐵氧體磁環(huán)性能參數(shù)

2.1 磁導(dǎo)率和飽和磁通密度

對于抑制用鐵氧體材料來講，磁導(dǎo)率μ（反映磁性材料導(dǎo)磁能力的參數(shù)）和飽和磁通密度B是兩個最重要的磁性參數(shù)。B,H,μ關(guān)系圖如圖3所示。磁導(dǎo)率定義為磁通密度隨磁場強度的變化率：

由圖3可知，磁導(dǎo)率不是一個固定的常數(shù)，它與磁場的大小和頻率高低相關(guān)。當鐵氧體器件受到一個外磁場H作用時，磁場H增加的同時，磁通密度B也會增加。當磁場H加到一定值時，磁通密度B會趨于平穩(wěn)。這時稱作飽和，在接近飽和狀態(tài)下，鐵氧體器件的磁導(dǎo)率迅速下降并接近于真空中的磁導(dǎo)率：

鐵氧體器件的磁導(dǎo)率大小隨磁場大小變化而變化是非線性的，而且遠大于μ0。

2.2 磁導(dǎo)率、阻抗、損耗因子和頻率的特征關(guān)系

在抗干擾鐵氧體磁環(huán)選型的過程中，磁環(huán)的供應(yīng)商一般并不說磁環(huán)的最大阻抗有多大，而是說磁環(huán)的磁導(dǎo)率是多少，這說明磁導(dǎo)率和阻抗存在關(guān)聯(lián)。圖4～6為某型號磁環(huán)規(guī)格書中的幾條曲線。

通過圖4發(fā)現(xiàn)，最初磁導(dǎo)率很高大約在10 000左右，但是在100kHz時已經(jīng)開始下降，在1MHz時已經(jīng)下降到400左右，此時的電感性消失，在這個過程中，損耗因子逐漸增大，說明磁環(huán)的電阻性逐漸增加，對應(yīng)的阻抗也在逐漸增加。所以綜合這三幅圖對應(yīng)起來看就可以發(fā)現(xiàn)，磁導(dǎo)率最低的頻率-阻抗最高的頻率-損耗因子最大的頻率這三點對應(yīng)的應(yīng)該是同一頻率，當然不同的磁環(huán)它的磁導(dǎo)率消失的頻率有所不同[5]。

3 鐵氧體磁環(huán)性選型與應(yīng)用

3.1 選型原則

通過前面的分析，磁環(huán)選型的基本方法是先關(guān)注超標頻點的頻率范圍，然后選擇這一頻率下磁環(huán)的高阻抗模型。根據(jù)干擾信號的頻率特征可以選用鎳鋅或錳鋅抗干擾磁環(huán)，鎳鋅抗干擾磁環(huán)的高頻特性優(yōu)于后者。根據(jù)實測參數(shù)，一般錳鋅材質(zhì)的抗干擾磁環(huán)的磁導(dǎo)率在幾千至上萬，而鎳鋅磁環(huán)則為幾百至上千。

在抑制高頻(頻率在1～300MHz)干擾時，宜選用鎳鋅鐵氧體磁環(huán)，因為頻率在此范圍內(nèi)時，鎳鋅鐵氧體阻值很大。在抑制低頻(頻率在1kHz～10MHz)干擾時，宜選用錳鋅鐵氧體磁環(huán)，因為頻率在此范圍內(nèi)時，錳鋅鐵氧體阻值一般在15kΩ以下。

同時磁導(dǎo)率的大小可以根據(jù)公式換算成電感量的大?。ê罅侩姼辛浚?，繼而獲得其諧振頻率，磁導(dǎo)率越低同樣大小磁環(huán)上同樣匝數(shù)繞制的線圈電感量越小，但是能應(yīng)用的頻率越高，以此來選擇磁環(huán)是應(yīng)用在高頻還是低頻[6-8]。

另外，一般選型磁環(huán)優(yōu)先選擇“外徑要大，內(nèi)孔要小，長度要長”，這樣的磁環(huán)尺寸截面積大，不容易飽和，可承受的偏流大，抑制效果好。磁環(huán)繞線匝數(shù)越多，抑制低頻干擾效果越好，抑制高頻干擾作用較弱（主要是受分布電容影響），而在實際使用中磁環(huán)匝數(shù)也要根據(jù)干擾電流的頻率參數(shù)來調(diào)整。

3.2 典型應(yīng)用

（1）鐵氧體抑制元器件在電源線上的應(yīng)用。干擾抑制鐵氧體元器件經(jīng)常被用于在電源的出口處和PCB板電源的入口處，這樣既可抑制電源與PCB之間的高頻干擾，也可抑制PCB板之間高頻干擾信號的相互串擾。抑制共模信號干擾時，電源線（正負極線）可同時穿過磁環(huán)，可在抑制干擾磁環(huán)上對稱的繞幾圈，增加電感量，從而達到增強對共模信號的吸收效果的作用。這樣也能解決因DC偏流引起的飽和或插入損耗降低的問題。

（2）鐵氧體抑制元器件在信號線上的應(yīng)用。鐵氧體抑制元器件方案在信號線上也會被經(jīng)常采用，它可有效的將不需要的高頻干擾信號去除掉。比如在外接音視頻輸入輸出線纜的一端或兩端處會加入干擾抑制磁環(huán)；在計算機中，干擾抑制磁環(huán)常用于驅(qū)動電路和鍵鼠標之間；在液晶電視中，干擾抑制磁環(huán)常用于主板和液晶屏連接線LVDS線路上。

3.3 實例分析

在某型號液晶電視輻射騷擾測試過程中，垂直極化初次測試輻射掃描曲線圖見圖7。從曲線圖中發(fā)現(xiàn)超標頻率端范圍主要集中在140～180MHz的范圍內(nèi)，初步分析該騷擾為主板和液晶屏連接線纜LVDS信號所引入。為此我們選用了一個規(guī)格為32.0*φ6.5*9.5*28.0*φ2.5mm，初始磁導(dǎo)率800，高阻抗頻點約150MHz的扁平鎳鋅磁環(huán)套在LVDS線纜（見圖9）上再次進行測試得到圖8所示曲線圖。

對比兩組測試波形發(fā)現(xiàn)加入磁環(huán)后相關(guān)干擾頻點騷擾改善了約8dB左右，整體騷擾也降低到限值要求以下。這也說明我們采用的磁環(huán)選型的方向是正確的，具有一定的可靠性。

4 結(jié)論

鐵氧體抗干擾磁環(huán)是近些年來迅速發(fā)展起來的物美價廉的干擾抑制器件，其作用等效于低通濾波器，較好地解決了電源線、信號線和連接器之間的干擾抑制問題，而且具有使用簡單有效、不占空間、免接地設(shè)計等一系列優(yōu)點。用鐵氧體抗干擾磁環(huán)來抑制電磁干擾（EMI）正成為研發(fā)測試人員廣泛接受且頻繁使用的一種簡單且有效的方法。