干扰抑制铁氧体磁环浅析及应用

陈高冰

（福建省产品质量检验研究院，福建 福州 350000）

0 引言

铁氧体磁性材料，一般是指氧化铁(Fe2O3)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：

式中，P1、V1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、V2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。

进而插入损耗可表达为：

式中，Z为抑制元件的阻抗，ZS和ZL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。

抑制铁氧体元件的等效复阻抗Z可表达为如下的函数：

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：

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：

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。

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。

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。