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干扰抑制铁氧体磁环浅析及应用

2021-06-16 11:17:27

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永欣电子是集生产、经营、科研、技术开发及信息服务为一体的科技先导型企业磁环厂家,为高新技术企业,具有多年行业经验。主要生产抗干扰磁芯、磁环、抗干扰磁环、滤波磁芯、铁粉芯、扣式磁环、铁氧体磁环、RH磁环、T型磁环、磁棒、电感磁棒系列和电感系列,非晶磁环系列,滤波磁珠系列500余种规格的产品。

铁氧体磁性材料,一般是指氧化铁(Fe2O

3)和其他金

属(例如锰,锌,镍)氧化物的复合氧化物[1-

2]。电磁干扰

抑制铁氧体磁环由于其使用简单免接地设计且价格低廉

等优势倍受开发设计人员的青睐。干扰抑制铁氧体磁环

已广泛应用于各类电子电器等产品领域的噪声抑制[3]。但

作为一种损耗式滤波器,很多测试工程师不了解其特性

而盲目使用导致时间和资源浪费却达不到预期效果[4]。本

文从干扰抑制铁氧体磁环工作原理入手,通过对磁导率、

阻抗、损耗因子和频率的特征关系的分析,给出了抑制铁

氧体磁环选型的原则,并通过实例测试验证了原则的可行

性,在电磁兼容整改领域有一定的现实指导意义。

1 电磁干扰抑制铁氧体磁环工作原理

在EMC领域,通常使用滤波器来滤波,而用插入损耗

来表示滤波器对骚扰衰减的能力的大小,所以插入损耗越

大越好。插入损耗可用式(1)表示:

    (1)

式中,P1、V

1分别表示在干扰抑制铁氧体元器件接入

之前负载上的功率和电压,P2、V

2表示干扰抑制元器件接

入后的负载功率和电压参数。图1为抑制铁氧体器件等效

电路。

图 1 铁氧体抑制元器件等效电路

进而插入损耗可表达为:

    (2)

式中,Z为抑制元件的阻抗,ZS和Z

L分别为源阻抗和

负载阻抗。

在交流电路中,抑制干扰铁氧体磁环可等效于一个

有损的电感器,其等效电路可看成一个由电感L和损耗电

阻R构成的串联电路,如图2所示。

图 2 抑制干扰铁氧体磁环等效电路图

抑制铁氧体元件的等效复阻抗Z可表达为如下的

函数:

     (3)

由上式可以看出损耗电阻R和感抗 都是频率的函

数。因此插入损耗也为频率的函数。在低频段时,抑制干

扰铁氧体磁环呈现出很低的感性阻抗值,不影响数据线上

的有用信号的传输。此时,阻抗主要由电感的感抗构成,

电磁干扰被反射而受到抑制,磁芯的损耗较小,整个器件

等效为一个低损耗、高品质因素Q特性的电感。而在高频

段,铁氧体元件主要呈现电阻抗特性并且随频率改变。

频率升高,感抗成分减小,电阻成分增加,导致总阻抗增

加。此时构成了一个低通滤波器,使高频干扰信号有较大

的衰减,而可以忽略对低频有用信号的阻抗值。这样高频

的电磁干扰被吸收并转换成热能的形式消耗掉,同时不影

响电路的正常工作。

2 干扰抑制铁氧体磁环性能参数

2.1 磁导率和饱和磁通密度

对于抑制用铁氧体材料来讲,磁导率μ(反映磁性材

料导磁能力的参数)和饱和磁通密度B是两个最重要的磁

性参数。B,H,μ关系图如图3所示。磁导率定义为磁通密

度随磁场强度的变化率:

      (4)

图 3 B,μ=f(H) 关系18 电子元器件与信息技术 第4卷

由图3可知,磁导率不是一个固定的常数,它与磁场

的大小和频率高低相关。当铁氧体器件受到一个外磁场H

作用时,磁场H增加的同时,磁通密度B也会增加。当磁

场H加到一定值时,磁通密度B会趋于平稳。这时称作饱

和,在接近饱和状态下,铁氧体器件的磁导率迅速下降并

接近于真空中的磁导率:

     (5)

铁氧体器件的磁导率大小随磁场大小变化而变化是

非线性的,而且远大于μ0。

2.2 磁导率、阻抗、损耗因子和频率的特征关系

在抗干扰铁氧体磁环选型的过程中,磁环的供应商

一般并不说磁环的最大阻抗有多大,而是说磁环的磁导率

是多少,这说明磁导率和阻抗存在关联。图4~6为某型号

磁环规格书中的几条曲线。

图 4 磁导率 - 频率关系曲线

图 5 阻抗 - 频率关系曲线

图 6 损耗因子 - 频率关系曲线

通过图4发现,最初磁导率很高大约在10 000左右,但

是在100kHz时已经开始下降,在1MHz时已经下降到400左

右,此时的电感性消失,在这个过程中,损耗因子逐渐增

大,说明磁环的电阻性逐渐增加,对应的阻抗也在逐渐增

加。所以综合这三幅图对应起来看就可以发现,磁导率最

低的频率-阻抗最高的频率-损耗因子最大的频率这三点

对应的应该是同一频率,当然不同的磁环它的磁导率消失

的频率有所不同[5]。

3 铁氧体磁环性选型与应用

3.1 选型原则

通过前面的分析,磁环选型的基本方法是先关注超

标频点的频率范围,然后选择这一频率下磁环的高阻抗模

型。根据干扰信号的频率特征可以选用镍锌或锰锌抗干

扰磁环,镍锌抗干扰磁环的高频特性优于后者。根据实测

参数,一般锰锌材质的抗干扰磁环的磁导率在几千至上

万,而镍锌磁环则为几百至上千。

在抑制高频(频率在1~300MHz)干扰时,宜选用镍锌

铁氧体磁环,因为频率在此范围内时,镍锌铁氧体阻值很

大。在抑制低频(频率在1kHz~10MHz)干扰时,宜选用锰

锌铁氧体磁环,因为频率在此范围内时,锰锌铁氧体阻值

一般在15kΩ以下。

同时磁导率的大小可以根据公式换算成电感量的大小

(后量电感量),继而获得其谐振频率,磁导率越低同样大

小磁环上同样匝数绕制的线圈电感量越小,但是能应用的

频率越高,以此来选择磁环是应用在高频还是低频[6-

8]。

另外,一般选型磁环优先选择“外径要大,内孔要

小,长度要长”,这样的磁环尺寸截面积大,不容易饱

和,可承受的偏流大,抑制效果好。磁环绕线匝数越多,

抑制低频干扰效果越好,抑制高频干扰作用较弱(主要是

受分布电容影响),而在实际使用中磁环匝数也要根据干

扰电流的频率参数来调整。

3.2 典型应用

(1)铁氧体抑制元器件在电源线上的应用。干扰抑

制铁氧体元器件经常被用于在电源的出口处和PCB板电源

的入口处,这样既可抑制电源与PCB之间的高频干扰,也

可抑制PCB板之间高频干扰信号的相互串扰。抑制共模信

号干扰时,电源线(正负极线)可同时穿过磁环,可在抑

制干扰磁环上对称的绕几圈,增加电感量,从而达到增强

对共模信号的吸收效果的作用。这样也能解决因DC偏流引

起的饱和或插入损耗降低的问题。

(2)铁氧体抑制元器件在信号线上的应用。铁氧体抑

制元器件方案在信号线上也会被经常采用,它可有效的将

不需要的高频干扰信号去除掉。比如在外接音视频输入输

出线缆的一端或两端处会加入干扰抑制磁环;在计算机中,

干扰抑制磁环常用于驱动电路和键鼠标之间;在液晶电视

中,干扰抑制磁环常用于主板和液晶屏连接线LVDS线路上。

3.3 实例分析

在某型号液晶电视辐射骚扰测试过程中,垂直极化初

次测试辐射扫描曲线图见图7。从曲线图中发现超标频率第8期19

端范围主要集中在140~180MHz的范围内,初步分析该骚

扰为主板和液晶屏连接线缆LVDS信号所引入。为此我们选

用了一个规格为32.0*φ6.5*9.5*28.0*φ2.5mm,初始磁导

率800,高阻抗频点约150MHz的扁平镍锌磁环套在LVDS线

缆(见图9)上再次进行测试得到图8所示曲线图。

图 7 初始辐射扫描曲线图

图 8 加磁环方案辐射扫描曲线图

对比两组测试波形发现加入磁环后相关干扰频点骚

扰改善了约8dB左右,整体骚扰也降低到限值要求以下。

这也说明我们采用的磁环选型的方向是正确的,具有一定

的可靠性。

4 结论

铁氧体抗干扰磁环是近些年来迅速发展起来的物美

价廉的干扰抑制器件,其作用等效于低通滤波器,较好地

解决了电源线、信号线和连接器之间的干扰抑制问题,而

且具有使用简单有效、不占空间、免接地设计等一系列优

点。用铁氧体抗干扰磁环来抑制电磁干扰(EMI)正成为

研发测试人员广泛接受且频繁使用的一种简单且有效的

方法。

参考文献

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机械工业出版社,2010.

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广播接收机及有关设备无线电骚扰特性限值和测量方

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[8]  中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标

准化管理委员会.信息技术设备的无线电骚扰限值和测

量方法:GB/T 9254-2008[S].北京:中国标准出版社,2008.

图 9 磁环在信号线上的应用

(上接第16页)

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陈高冰:干扰抑制铁氧体磁环浅析及应用


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作者: 永欣电子
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