陳高冰

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)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(jiǎn)單免接地設(shè)計(jì)且價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)倍受開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員的青睞。干擾抑制鐵氧體磁環(huán)已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)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(cè)試工程師不了解其特性而盲目使用導(dǎo)致時(shí)間和資源浪費(fèi)卻達(dá)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(guò)對(duì)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(guò)實(shí)例測(cè)試驗(yàn)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(shí)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(lái)濾波，而用插入損耗來(lái)表示濾波器對(duì)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(fù)載上的功率和電壓，P2、V2表示干擾抑制元器件接入后的負(fù)載功率和電壓參數(shù)。圖1為抑制鐵氧體器件等效電路。

進(jìn)而插入損耗可表達(dá)為：

式中，Z為抑制元件的阻抗，ZS和ZL分別為源阻抗和負(fù)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(gè)有損的電感器，其等效電路可看成一個(gè)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(dá)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(shí)，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(xiàn)上的有用信號(hào)的傳輸。此時(shí)，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(gè)器件等效為一個(gè)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(shí)構(gòu)成了一個(gè)低通濾波器，使高頻干擾信號(hào)有較大的衰減，而可以忽略對(duì)低頻有用信號(hào)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(shí)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(duì)于抑制用鐵氧體材料來(lái)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(gè)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(chǎng)強(qiáng)度的變化率：

由圖3可知，磁導(dǎo)率不是一個(gè)固定的常數(shù)，它與磁場(chǎng)的大小和頻率高低相關(guān)。當(dāng)鐵氧體器件受到一個(gè)外磁場(chǎng)H作用時(shí)，磁場(chǎng)H增加的同時(shí)，磁通密度B也會(huì)增加。當(dāng)磁場(chǎng)H加到一定值時(shí)，磁通密度B會(huì)趨于平穩(wěn)。這時(shí)稱(chēng)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(chǎng)大小變化而變化是非線(xiàn)性的，而且遠(yuǎn)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(guò)程中，磁環(huán)的供應(yīng)商一般并不說(shuō)磁環(huán)的最大阻抗有多大，而是說(shuō)磁環(huán)的磁導(dǎo)率是多少，這說(shuō)明磁導(dǎo)率和阻抗存在關(guān)聯(lián)。圖4～6為某型號(hào)磁環(huán)規(guī)格書(shū)中的幾條曲線(xiàn)。

通過(guò)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(shí)已經(jīng)開(kāi)始下降，在1MHz時(shí)已經(jīng)下降到400左右，此時(shí)的電感性消失，在這個(gè)過(guò)程中，損耗因子逐漸增大，說(shuō)明磁環(huán)的電阻性逐漸增加，對(duì)應(yīng)的阻抗也在逐漸增加。所以綜合這三幅圖對(duì)應(yīng)起來(lái)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)該是同一頻率，當(dāng)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(guò)前面的分析，磁環(huán)選型的基本方法是先關(guān)注超標(biāo)頻點(diǎn)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(hào)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?xún)?yōu)于后者。根據(jù)實(shí)測(cè)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(wàn)，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(shí)，宜選用鎳鋅鐵氧體磁環(huán)，因?yàn)轭l率在此范圍內(nèi)時(shí)，鎳鋅鐵氧體阻值很大。在抑制低頻(頻率在1kHz～10MHz)干擾時(shí)，宜選用錳鋅鐵氧體磁環(huán)，因?yàn)轭l率在此范圍內(nèi)時(shí)，錳鋅鐵氧體阻值一般在15kΩ以下。

同時(shí)磁導(dǎo)率的大小可以根據(jù)公式換算成電感量的大小（后量電感量），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(xiàn)圈電感量越小，但是能應(yīng)用的頻率越高，以此來(lái)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(zhǎng)度要長(zhǎng)”，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(xiàn)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(shí)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(lái)調(diào)整。

3.2 典型應(yīng)用

（1）鐵氧體抑制元器件在電源線(xiàn)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(hào)的相互串?dāng)_。抑制共模信號(hào)干擾時(shí)，電源線(xiàn)（正負(fù)極線(xiàn)）可同時(shí)穿過(guò)磁環(huán)，可在抑制干擾磁環(huán)上對(duì)稱(chēng)的繞幾圈，增加電感量，從而達(dá)到增強(qiáng)對(duì)共模信號(hào)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(wèn)題。

（2）鐵氧體抑制元器件在信號(hào)線(xiàn)上的應(yīng)用。鐵氧體抑制元器件方案在信號(hào)線(xiàn)上也會(huì)被經(jīng)常采用，它可有效的將不需要的高頻干擾信號(hào)去除掉。比如在外接音視頻輸入輸出線(xiàn)纜的一端或兩端處會(huì)加入干擾抑制磁環(huán)；在計(jì)算機(jī)中，干擾抑制磁環(huán)常用于驅(qū)動(dòng)電路和鍵鼠標(biāo)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(xiàn)LVDS線(xiàn)路上。

3.3 實(shí)例分析

在某型號(hào)液晶電視輻射騷擾測(cè)試過(guò)程中，垂直極化初次測(cè)試輻射掃描曲線(xiàn)圖見(jiàn)圖7。從曲線(xiàn)圖中發(fā)現(xiàn)超標(biāo)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(xiàn)纜LVDS信號(hào)所引入。為此我們選用了一個(gè)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(diǎn)約150MHz的扁平鎳鋅磁環(huán)套在LVDS線(xiàn)纜（見(jiàn)圖9）上再次進(jìn)行測(cè)試得到圖8所示曲線(xiàn)圖。

對(duì)比兩組測(cè)試波形發(fā)現(xiàn)加入磁環(huán)后相關(guān)干擾頻點(diǎn)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(shuō)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(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的物美價(jià)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(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)和連接器之間的干擾抑制問(wèn)題，而且具有使用簡(jiǎn)單有效、不占空間、免接地設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn)。用鐵氧體抗干擾磁環(huán)來(lái)抑制電磁干擾（EMI）正成為研發(fā)測(cè)試人員廣泛接受且頻繁使用的一種簡(jiǎn)單且有效的方法。