鐵氧體抗干擾磁心在電子設備EMC設計中的應用

摘要:    本文從電氣系統(tǒng)電磁兼容設計的角度探討了在電氣設計中比較實用且效果較好的抗干擾器件鐵氧體抗干擾磁心的應用。
關鍵詞:     鐵氧體抗干擾磁心；EMC

引言

嚴格說來，一個產品的電磁兼容設計是一個復雜的系統(tǒng)工程，根據(jù)產品的設計及生產特點，應包括三個方面的設計內容：結構設計，電氣設計(含布線)及生產工藝設計，只有這三個方面的密切結合，才能完成整個產品的電磁兼容設計工作。本文僅從電氣系統(tǒng)電磁兼容設計的角度來探討電磁兼容設計中一些比較實用的抗干擾器件的應用。在筆者所參與設計的產品中主要使用的抗干擾器件有瞬態(tài)電壓吸收二極管(TVS)，鐵氧體抗干擾磁心，隔離變壓器，濾波器及電容等，本文重點探討鐵氧體抗干擾磁心的應用。

鐵氧體抗干擾磁心特性

鐵氧體抗干擾磁心是近幾年發(fā)展起來的新型的價廉物美的干擾抑制器件，其作用相當于低通濾波器，較好地解決了電源線，信號線和連接器的高頻干擾抑制問題，而且具有使用簡單，方便，有效，占用空間不大等一系列優(yōu)點，用鐵氧體抗干擾磁心來抑制電磁干擾(EMI)是經(jīng)濟簡便而有效的方法，已廣泛應用于計算機等各種軍用或民用電子設備。

鐵氧體是一種利用高導磁性材料滲合其他一種或多種鎂、鋅、鎳等金屬在2000℃燒聚而成， 它的制造工藝和機械性能與陶瓷相似。其電磁性能與添加金屬成分以及燒結過程中的時間，溫度與氣體成分有關。

鐵氧體材料的阻抗由兩部分組成：感抗XLS和電阻，兩者都與頻率有關，圖1為其等效電路。

圖1 鐵氧體抑制元件的等效電路（a）和阻抗矢量圖（b）

等效阻抗Ｚ是頻率的函數(shù)：

Z(f)=R(f)+jwL(f)=Kwm”(f)+jKwm’(f)

式中K是常數(shù)，與磁心尺寸和長度有關，w為角頻率。

鐵氧體的磁導率可以表示為復數(shù)。其中m照為鐵氧體磁導率的實數(shù)部分，代表無功磁導率，構成磁性材料的電感，u'為鐵氧體磁導率的虛數(shù)部分，代表損耗。損耗電阻R和感抗jwL都是頻率的函數(shù)。

在低頻段，鐵氧體抗干擾磁心呈現(xiàn)出非常低的感性阻抗值，不影響數(shù)據(jù)線或信號線上有用信號的傳輸。而在高頻段，從10MHz左右開始，阻抗增大，其感抗分量仍保持很小，電阻性分量卻迅速增加，當有高頻能量穿過磁性材料時，電阻性分量就會把這些能量轉化為熱能耗散掉。這樣就構成一個低通濾波器，使高頻噪音信號有大的衰減，而對低頻有用信號的阻抗可以忽略，不影響電路的正常工作。這種濾波器優(yōu)于普通純電抗濾波器。后者會產生諧振，造成新的干擾，而鐵氧體磁珠則沒有這種現(xiàn)象。圖2示出了抗干擾磁心制作的電感阻抗特性。

圖2 抗干擾磁心制作的電感的阻抗特性

鐵氧體抑制元件應用時的等效電路如圖3所示。圖中Ｚ為抑制元件的阻抗，ZS和ZL分別為源阻抗和負載阻抗，Z為鐵氧體抑制元件的阻抗。通常用插入損耗表示抑制元件對EMI信號的衰減能力。器件的插入損耗越大，表示器件對EMI噪音抑制能力越強。

圖3 鐵氧體抑制元件應用電路

若磁心使用前后在ZL上的電壓分別為E1和E2，則磁心對噪聲的衰減為:

A=20lg(E1/E2)= 20lg(ZS+Z+ZL)/(ZS+ZL)

由上式可知：信號源內阻ZS與負載阻抗ZL之和越小，而鐵氧體的等效阻抗Z越大，則對高頻干擾的抑制作用越好。

鐵氧體抗干擾磁心在產品設計中的應用

常見的磁心種類應用方見表1。

筆者在產品研制中，針對電氣部分的電磁兼容設計廣泛地使用了鐵氧體抗干擾磁心，取得了較好的效果。

印制板電路中的去耦

系統(tǒng)中的高速數(shù)字電路是印制板級EMC的重點之一，其集成電路的高頻開關電流在電源線和地線之間產生的強烈干擾會以傳導和輻射方式進入系統(tǒng)其他電路，嚴重的會干擾系統(tǒng)的正常工作。常用的干擾抑制是在電源和地間加去耦電容為高頻噪聲提供一個低阻抗的路徑，但單用去耦電容有時會引起高頻諧振，造成新的干擾，而鐵氧體磁珠(Ferrite bean)卻由于其原理不同可以有效地衰減高頻噪聲，不存在上述問題，因此為了提高去耦電容的效果，可在電容的電源一側安裝抗干擾鐵氧體磁珠即EMC專用Ferrite bean，由于磁珠對高頻電流呈現(xiàn)較大的阻抗，可以阻止電源向電路提供高頻電流，增強去耦電容的效果，需要注意的是磁珠的位置，正確安裝位置見圖4，絕對不能放在去耦電容靠近器件的一側。

圖4 鐵氧體在失去藕電路中的安裝位置

在我們產品的設計初期，就明確要求所有單機在電路設計時，電源和地的輸入端務必考慮有鐵氧體磁心的設計或預留焊裝空間，這樣可以在產品的調試和試驗中根據(jù)具體情況進行焊裝。速度較高的電路采用貼片式磁珠，如選用日本MURATA的貼片式EMC專用 Ferrite bean，而要求不高的電路也可以采用珠形磁珠。

伺服電路中大電流信號的抗干擾設計

隨著伺服電路設計的小型化和集成化，其廣泛采用的PWM伺服驅動控制方式所產生的電磁干擾也一直是產品的電磁兼容設計的重點和難點，由于集成模塊電路功率較大，因此在脈沖的上升和下降沿會產生較高頻率的干擾信號，再加上設備較復雜的設計不完善的地線系統(tǒng)提供干擾途徑，從而對系統(tǒng)工作帶來不良影響，在本產品的調試階段伺服電路產生的干擾信號就對較弱的視頻信號造成了干擾。經(jīng)過對干擾現(xiàn)象及系統(tǒng)的分析，明確干擾源為伺服驅動的PWM驅動信號，干擾途徑為通過伺服驅動的電源，進入系統(tǒng)的電源系統(tǒng)從而污染了視頻電路的供電，造成對視頻信號的干擾。針對此情況，筆者和伺服電路的設計人員決定利用鐵氧體抗干擾磁心的特性來對噪聲進行衰減，即在伺服的驅動電源線上增加鐵氧體抗干擾器件，實驗證明效果非常顯著，圖5和圖6為未加抗干擾磁心前的視頻圖像和采用抗干擾磁心之后的視頻圖像的效果對比。

圖5 未加抗干擾磁心時的圖象（可見圖象上有黑白相間的橫紋干擾）

圖6 在伺服驅動的電源上增加抗干擾磁心后的圖象（圖5中的橫紋干擾已完全消除）
電纜上鐵氧體磁環(huán)的應用

針對視頻信號為頻率較高及幅值較小的模擬信號，容易被干擾的特點，在產品設計中的視頻傳輸和連接電纜也是專門選用帶有鐵氧體磁環(huán)封裝后的視頻傳輸電纜，從而確保圖像的顯示質量。

鐵氧體抗干擾磁心選用說明