铁氧体抑制电磁干扰的应用

-1-铁氧体在抑制电磁干扰的应用QC项目《LCD产品EMC测量设计规范》总结-2-铁氧体在抑制电磁干扰的应用QC项目《LCD产品EMC测量设计规范》总结铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料（见图1）。他的制造工艺和机械性能与陶瓷相同。但颜色为黑灰色，故又称黑磁性瓷。铁氧体的分子结构为MO·Fe2O3,其中MO为金属氧化物，通常是氧化锰（MnO）或氧化锌（ZnO）。在电磁兼容（EMC）应用方面，铁氧体材料是一种广泛应用的有耗器件，能将电磁干扰（骚扰）的能量吸收后，转化为热能损耗，从而起到滤波作用，即构成吸收式低通滤波器。图1各种铁氧体抑制元件在抑制电磁干扰（骚扰）应用方面，对铁氧体性能来说，磁导率是影响铁氧体材料的特性最大的性能指标，它直接与铁氧体芯的阻抗成正比。铁氧体一般通过几种方式来抑制无用的传导或辐射（干扰）信号。（1）将铁氧体用作为电感器件，使其以构成低通滤波器，在低频时提供感性－容性通路，而在较高频率时损耗较大。即低频信号可以通过，而较高信号将被阻止。（2）将铁氧体芯直接用于元器件的引线或线路板上，这是铁氧体最常用的方式。在这种应用中，铁氧体芯能抑制任何寄生振荡和衰减感应或传输到元器件引线上或与之相连的电缆线中的高频无用信号。（3）将铁氧体作为实际的屏蔽层，来将导体、元器件或电路与环境中的散射电磁场隔离开。从理论上讲，理论的铁氧体能在高频段提供高阻抗；而在所有其他频段上提供零阻抗。而实际上，铁氧体芯的阻抗是与频率有关的，一般来说，在频率低于1MHz时，其阻抗最低。但对于不同性能或特性的铁氧体材料来说，最高阻抗出现在10～500MHz之间。在前叙述的（1）、（2）方式中，铁氧体芯是通过消除或极大地衰减电磁干扰（骚扰）源的高频电流，来抑制传导骚扰。其核心为采用铁氧体，能提供足够高的高频阻抗来减小高频电流。铁氧体电磁干扰（骚扰）抑制元件有着各种各样的规格、尺寸、形状和特性，如铁氧体磁环、铁氧体磁珠、多孔磁珠、表面贴装磁珠等。也有氧化锰（MnO）和氧化锌（ZnO）材料之分。因此，根据不同特性、规格、尺寸、形状，铁氧体抑制元件广泛应用于PCB（印制电路板）、电源线和数据线上。1．铁氧体抑制元件在电源线上的应用电源线能将外界电网地干扰、开关电压的噪音（骚扰）传到主电路。在电源的出口和印制电路板的入口设置铁氧体抑制元件，既可抑制电源与印制电路板之间的高频干扰的传输。也可抑制印制电路板之间高频噪音（骚扰）的相互干扰。对于在电源线上应用铁氧体抑制元件来说，流过电源线的电流的大小是要影响铁氧体元件的性能，将是在应用是值得注意的事情。在电源线上应用铁氧体元件时，要关注有直流（低频交流）偏流存在的情况。铁氧体的阻抗和插入损耗会随着直流（低频交流）的偏流的增加-3-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（即磁饱和）。因此，在EMC设计和应用时要考虑到磁饱和或插入损耗降低之间的问题。铁氧体的磁导率越低，插入损耗受直流（低频交流）偏流的影响越小，越不容易饱和。所以用在电源线上的铁氧体抑制元件，应选择磁导率低的材料和横截面积大的元件。如何解决和避免直流偏流所带来的问题，方法有多种。例如：在单偏流较大时，可将电源的出线（交流的火线或直流的中线）与回线（交流的中线或直流的地线）同时穿入一个铁氧体元件。这样可避免磁饱和，但这种方法只可抑制共模噪音。应用见图2图2铁氧体抑制元件在交流电源线上应用2．铁氧体抑制元件在信号线上的应用铁氧体抑制元件最常应用于信号线，例如在计算机中，EMI干扰信号会通过主机到键盘的电缆传入到主机的驱动电路，而后耦合到CPU，使CPU不能正常工作。反过来主机的数据或噪音也可通过电缆传出去，使其电磁骚扰测试项有问题。铁氧体磁珠可用在驱动电路与键盘之间，将高频噪音（骚扰）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铁氧体磁珠。又例如液晶电视机中，整机按键板与信号处理板之间要有电缆（KEY板线）相连接，这样，使得信号处理板上图像数字处理和CPU处理的高频杂讯噪音通过KEY板线向外辐射，使其电磁骚扰测试项有问题（不合格）。另外，外部的干扰杂讯信号（电器启动时的脉冲干扰）又会利用KEY板线进入电视机的信号处理板，使其不能正常工作。铁氧体磁环的应用就可以使得按键正常工作，又抑制内部和外部干扰杂讯信号的干扰。应用见图3图3铁氧体抑制元件在液晶电视机按键线上应用3．铁氧体磁环的应用管状铁氧体磁环提供了一种既简单又经济的方法，来抑制通过导线辐射的（无用的高频-4-噪声或正弦成分（振荡））的干扰。当导线穿过磁环时，在磁环附近的一段导线将具有单匝扼流圈的特性，在低频时具有低的阻抗。这个阻抗是随着流过信号和杂讯信号的频率升高而增大，在一个宽的高频带内，具有适中的高阻抗，以阻止高频电流的流通，因此可构成低通滤波器。将磁环加长或把几个磁环同时穿入导线，则这段导线的等效电感和阻抗值，将随着磁环长度增加而增大（即成正比），如果将导线绕上几圈，穿入磁环，则总电感和总阻抗将随圈数的平方而加大，例如，在应用铁氧体磁环时，在磁环上绕一圈，其作用要比单穿入好。但是，圈数的增加会使得匝间分布电容的增大，会使得高端频率的抑制作用随之下降，所以多匝线圈的应用只在相对低的频率上最为有效。在高频段使用一般采用单穿方式，以减小匝间分布电容的影响，为了提高高频的阻抗，多半采用长细形磁环或多个磁环穿入的方式，这样既可提高高频段的阻抗，又不增加匝间分布电容。提高磁环对高频杂讯抑制能力。上面是单根导线穿过磁环的情况，此时磁环虽然对高频干扰加以抑制，但对信号也有衰减作用。近来已出现用于导线的大型磁环，如图所示，图中的磁环既可抑制共模电流，又不影响有用信号。由图可见，磁环对共模干扰的插入损耗为：图4用于导线的共模磁环ZFLin=20lg1+(1-1)ZL+ZW+ZG（1－1）式中，ZL为负载阻抗，ZW为传输线阻抗，ZG为信号源的阻抗（包含了信号源的内阻及接地阻抗）,ZF为铁氧体所呈现的阻抗。由（1－1）式可见，︱ZF︱比回路阻抗︱ZL+ZW+ZG︱越大，铁氧体磁环对共模干扰的抑制作用就越强。4．铁氧体抑制元件的选择与安装铁氧体抑制元件由多种材料、各种形状、尺寸供选择。为选择合适的抑制元件，使对噪音（骚扰）的抑制更为有效，设计者必须知道需要抑制的EMI信号的频率的强度，要求抑制的效果即插入损耗值以及允许占用的空间（内径。外径和长度等尺寸）。（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。表1－1是常用的几种抑制铁氧体材料的适用频率范围。表1－1是常用的几种抑制铁氧体材料的适用频率范围磁导率最佳抑制频率范围125﹥200NHz85030MHz～200MHz-5-250010MHz～30MHz5000﹤10MHz在有直流或低频交流偏流情况下，要考虑到抑制性能的下降和磁饱和，尽量选用磁导率低的材料。表1－2各种材质的特性在表1－2中，初始磁导率的数值越低，磁心的阻抗的峰值向高频率移动的倾向越明显。作为铁氧体抑制元件的应用，普遍采用具有广频率范围衰减特性的K32材料（µ’=700）。但适用于较高频率的是L15材料（µ’＝350）或K14材料（µ’=100），K26则应用高频段上。图5铁氧体µ’及µ”的频率特性图6各种材质的阻抗的频率特性（2）铁氧体抑制元件尺寸的选择铁氧体材料选定后，需要选定抑制元件的形状和尺寸。抑制元件的形状和尺寸会影响对噪音抑制的效果。在磁心的阻抗Z＝R＋jX式子中，阻抗成分R与材料的µ’和µ”有关，电抗X与材料参数µ’成比例.因此，从材料µ’、µ”－f特性曲线中可以看出，在高频段（侧）µ’成分在阻抗上起很大的作用。磁心的阻抗∣Z∣与被采用的材料参数µ’与由µ”来决定的材料阻抗∣z∣的关系如下：-6-Ae∣Z∣＝N2∣z∣4-1Le4－1式中，∣Z∣为磁心的阻抗值；Ae为磁心的的平均截面积；Le为平均磁路长度；N线圈匝数；∣z∣材料阻抗。材料的阻抗∣z∣乘上系数Ae/Le(及线圈匝数的平方)，可计算出任形状磁心的阻抗值，如环状磁心的形状系数可以按下示公式计算：AeCA=loge4-2Le2πB4－2式中，A为环形磁心的外径；C为环形磁心的内径；C环形磁心的高度。图7同一尺寸、不同材质的铁氧体磁环频率特性一般来说，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粗的形状的阻抗要大，抑制效果更好。但在有直流或交流偏流的情况下，要考虑到饱和问题。铁氧体抑制元件的横截面积越大，越不容易饱和，可承受的偏流越大。另外铁氧体的内径越小，抑制效果越好。下面是各种尺寸和形状铁磁环氧体资料-7-图8可有四种材质的铁氧体磁环（短）资料图9可有四种材质的铁氧体磁环（长）资料图10仅可有一种材质的铁氧体磁环（长）资料-8-图10仅可有一种材质的铁氧体扁平磁环资料扁平电缆也可以使用专用的铁氧体抑制元件，将噪音抑制在其辐射之前。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，尽量厚和内径尽量小的铁氧体抑制元件。（3）铁氧体抑制元件的安装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。平面电视室