電磁兼容設(shè)計(jì)中的鐵氧體EMI抑制器件

1. 鐵氧體EMI抑制器件的應(yīng)用

鐵氧體抑制器件廣泛應(yīng)用于PCB、電源線和數(shù)據(jù)線上。

1）鐵氧體EMI抑制器件在PCB上的應(yīng)用：EMI設(shè)計(jì)的首要方法是源頭抑制

法，即在PCB上的EMI源頭處將EMI進(jìn)行抑制。這個(gè)設(shè)計(jì)思想是將噪聲限制在小的區(qū)域，避免高頻噪聲耦合到其它電路，而這些電路通過連接線纜可能產(chǎn)生更強(qiáng)的輻射。

PCB上的EMI源頭來自于數(shù)字電路。其高頻電流在電源線和地之間產(chǎn)生一個(gè)共模電壓降，造成共模騷擾。電源線或信號線上的去耦電容會將IC開關(guān)的高頻噪聲短路，但是去耦電容常常會引起高頻諧振，造成新的騷擾。在電路板的電源進(jìn)口處加上鐵氧體抑制磁珠會有效地將高頻噪聲衰減掉。

2）鐵氧體EMI抑制器件在電源線上的應(yīng)用：電源線會把外界電網(wǎng)的騷擾、開關(guān)電源的噪聲傳遞到主機(jī)板上。在電源的輸出口和PCB電源線的入口設(shè)置鐵氧體抑制器件，既可抑制電源與PCB之間高頻騷擾的傳輸，也可抑制PCB之間高頻噪聲的相互騷擾。

值得注意的是：在電源線上應(yīng)用鐵氧體器件時(shí)，有時(shí)有偏流存在。鐵氧體的阻抗和插入損耗隨著偏流的增加而降低。當(dāng)偏流增加到一定值時(shí)，鐵氧體抑制器件會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。在EMC設(shè)計(jì)時(shí)要考慮飽和時(shí)插入損耗降低的問題。鐵氧體的磁導(dǎo)率越低，插入損耗受偏流的影響越小，越不容易飽和。所以用在電源線上的鐵氧體抑制器件，要選擇磁導(dǎo)率低的材料和橫截面積大的元件。

當(dāng)偏流較大時(shí)，可將電源的出線（AC的火線，DC的正線）與回線（AC的中線，DC的地線）同時(shí)穿入一個(gè)磁芯/磁環(huán)。這樣可以避免飽和，此時(shí)就可以抑制共模噪聲。

3）鐵氧體抑制元件在信號線上的應(yīng)用：鐵氧體抑制元件最常用的地方就是

信號線。比如在某些產(chǎn)品中，EMI信號會通過主機(jī)到顯示的電纜傳入到主機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，然后耦合到CPU，使電路不能正常工作。同時(shí)主機(jī)板的數(shù)據(jù)或噪聲也可以通過連接電纜線輻射出去。鐵氧體磁珠可以用在驅(qū)動(dòng)電路與顯示電路之間，將高頻噪聲抑制。而對數(shù)據(jù)信號可以幾乎無損耗地通過鐵氧體磁珠。

扁平電纜也可用專用的鐵氧體抑制器件，將噪聲抑制在其輻射之前。

2. 鐵氧體EMI抑制器件的選擇

鐵氧體抑制器件有多種材料、形狀和尺寸可供選擇。為選擇合適的抑制元件，

使其對噪聲的抑制更有效，設(shè)計(jì)工程師需要知道要抑制的EMI信號的頻率和強(qiáng)度、要求抑制的效果，即插入損耗以及允許占用的空間，包括磁芯的內(nèi)徑、外徑和長度尺寸。

鐵氧體磁環(huán)的尺寸確定：磁環(huán)的內(nèi)外徑差越大，軸向越長，阻抗越大。但內(nèi)徑一定要包緊導(dǎo)線。因此，要獲得大的衰減，應(yīng)盡量使用體積較大的磁環(huán)。

共模扼流圈的匝數(shù)：增加穿過磁環(huán)的匝數(shù)可以增加低頻的阻抗，但是由于寄生電容的增加，高頻的阻抗會減小，所以盲目增加匝數(shù)來增加衰減量是一個(gè)常見的錯(cuò)誤。當(dāng)需要抑制的干擾頻帶較寬時(shí)，可在兩個(gè)磁環(huán)上繞不同的匝數(shù)。

比如，某設(shè)備有兩個(gè)超標(biāo)輻射的頻率點(diǎn)，一個(gè)為40MHz，另一個(gè)為較高頻率比如，》300MHz。如果檢測確定是由于電纜的共模輻射所導(dǎo)致。在電纜上套一個(gè)磁環(huán)繞1匝，大于300MHz的干擾明顯減小，不再超標(biāo)。但是，40MHz頻率仍然超標(biāo)。再使用一個(gè)磁環(huán)將電纜在磁環(huán)上繞大于3匝，40MHz干擾減小，不再超標(biāo)。這是由于增加電纜上的鐵氧體磁環(huán)的個(gè)數(shù)可以增加低頻的阻抗，繞制的圈數(shù)增大時(shí)，高頻的阻抗會減小。而出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因是寄生電容增加的緣故。由于鐵氧體磁環(huán)的效果取決于原來共模環(huán)路的阻抗，原來回路的阻抗越低，則磁環(huán)的效果越明顯。因此當(dāng)原來的電纜兩端如果安裝了電容式濾波器時(shí)，其阻抗很低，此時(shí)磁環(huán)的效果會更明顯。

注意：鐵氧體磁珠屬于能耗型器件。它以熱的形式消耗高頻能量。這只能用電阻而不是電感的特性來解釋。

不同的鐵氧體抑制材料有不同的最佳抑制頻率范圍，這與初始磁導(dǎo)率有關(guān)。通常材料的初始磁導(dǎo)率越高，適用抑制的頻率就越低。表1是常用的幾種抑制鐵氧體材料的通用適用頻率范圍

表1常用的抑制鐵氧體材料的適用范圍

表1給出了常用高頻鐵氧體磁性材料的初始磁導(dǎo)率和最佳抑制頻率的關(guān)系，在有直流或低頻交流偏流的情況下，要考慮到抑制性能的下降和飽和，盡量選用磁導(dǎo)率低的材料。而對于使用在電源線上的交流輸入端應(yīng)用的共模電感的磁芯，由于需要抑制10MHz以下的共模干擾噪聲，此時(shí)需要選擇初始磁導(dǎo)率更高的磁芯參數(shù)，推薦使用7000到10K的范圍。

鐵氧體材料選定之后，需要選定抑制元件的形狀和尺寸。抑制元件的形狀和尺寸影響到對噪聲的抑制效果。

一般來說，鐵氧體的體積越大，抑制效果越好。在體積一定時(shí)，形狀長而細(xì)的比形狀短而粗的阻抗要大，抑制效果更好。但在有DC或AC偏流的情況下，要考慮到磁飽和的問題。鐵氧體抑制元件的橫截面積（Ae參數(shù)值）越大，越不容易飽和，可承受的偏流越大。另外，鐵氧體的內(nèi)徑越小，抑制效果越好。

總之，鐵氧體抑制器件選擇的原則是，在使用空間允許的條件下，選擇盡量長、盡量厚和內(nèi)孔盡量小的鐵氧體抑制器件。

3. 鐵氧體EMI抑制器件的安裝

同樣的鐵氧體抑制器件，由于安裝的位置不同，器抑制效果會有很大的差異。

在大部分情況下，鐵氧體抑制器件應(yīng)該安裝在盡可能接近騷擾源的地方。這

樣可以防止噪聲耦合到其它地方，在那些地方的噪聲可能更難抑制。但是在I/O電路中，在導(dǎo)線或電纜進(jìn)入或引出屏蔽殼的地方，鐵氧體器件應(yīng)盡可能安裝在靠近屏蔽殼的進(jìn)出口處，以避免噪聲在經(jīng)過鐵氧體抑制器件之前就耦合到其它地方。

注意：鐵氧體磁芯器件如果穿在電纜上后建議用熱縮管封好放置。