铁氧体材料：应用广泛的抗干扰磁芯，了解一下

铁氧体材料：应用广泛的抗干扰磁芯，了解一下

1. 铁氧体材料的各种应用和要求

铁氧体抗干扰磁芯是一种抗干扰抑制器件，起低通滤波器的作用，能有效解决电源线、信号线及连接器的射频干扰抑制问题。使用简单、方便、有效。使用时，只要将铁氧体磁芯放在被保护的线路上，无需接地。铁氧体磁芯对高频干扰反射的阻抗可有效抑制高频干扰。具有占用空间小、价格低廉等一系列优点，因此得到了广泛的应用。

铁氧体是把氧化铁和多种其他金属粉末（通常是锰、锌、镍和钴）放在一起，挤压，在高温下烧结一定时间而形成的陶瓷晶体​​。铁氧体材料的电磁性能与添加的金属组分以及烧结过程中的时间、温度和环境有关。

由于铁氧体材料的成分不同，应用用途也不同，所以对铁氧体磁芯材料一般有以下几种不同的要求：

（1）在低电平信号中的应用。要求铁氧体材料具有低损耗和良好的稳定性——随时间和温度变化小。主要应用是高Q值电感器、共模电感器、宽带匹配脉冲变压器、无线电传输天线等。

（2）在电源中的应用。铁氧体材料要求在工作频率和温度下具有高磁通密度和低损耗的特性。主要应用有开关电源、磁放大器、DC-DC转换器、电源线滤波器、触发线圈和电池充电变压器等。

（3）在射频干扰抑制中的应用。要求铁氧体材料的阻抗较大，主要用于抑制线路中的寄生振荡，衰减传输线中的无用信号。

可见，不同的应用目的对铁氧体材料的性能要求是不同的。我们要特别关注的RFI抑制材料不仅要有高的磁导率——大的电感量，还要有大的插入损耗——相当于一个高损耗电阻。这样，用于RFI抑制的铁氧体材料的高电感、高电阻特性保证了它对高频干扰的阻断和衰减。这种专门用于抑制RFI的铁氧体磁芯有时也被称为抗干扰磁芯或EMI磁芯。

如图1所示，在开关电源中，抗干扰磁芯主要用在电源线路上，抑制射频传导和辐射干扰；贴装在高频变压器、开关三极管的引线端子上以及次级整流二极管的引脚上，抑制射频辐射干扰。

图1 各种铁氧体磁芯器件

2.铁氧体抗干扰磁芯的工作原理

铁氧体材料的阻抗由两部分串联组成：感抗XL和等效损耗电阻R。两者都与频率有关，如图2所示。

在低频时，磁芯的阻抗主要为感抗，与材料的磁导率有关，大部分干扰信号被反射回去。随着频率的升高，磁导率迅速下降，使感抗稳定增长-甚至下降。但高频时铁损明显增加，导致总阻抗Z=(XL2+R2)1/2继续增加，此时铁损成为阻抗的主要成分，导致干扰信号被吸收。

图2 铁氧体的阻抗特性

例如：设使用磁芯前后ZL（负载阻抗）上的电压分别为E1、E2，Zs为信号源内阻，Z为铁氧体等效阻抗；则磁芯对干扰的衰减作用为：

A=20Lg(E1/E2)=20Lg(Zs+Z+ZL)/(Zs+ZL)

该公式说明，信号源内阻Zs与负载阻抗ZL之和越小，铁氧体磁芯的等效阻抗Z越大，铁氧体磁芯对高频干扰的抑制效果越好。

3、铁氧体抗干扰磁芯的应用范围

不同的铁氧体材料有不同的最佳抑制频率范围，这与磁导率有关。材料的磁导率越高，最佳衰减频率越低；反之，材料的磁导率越低，衰减频率越高。因此，锰锌铁氧体更适合用于低频场合，例如30MHz及以下。镍锌铁氧体更适合用于高频场合，例如30MHz以上。

在直流或低频交流电流偏置的情况下，要考虑抑制性能的下降和饱和，所以尽量采用磁导率低的材料。铁氧体抗干扰磁芯广泛应用于PCB电路板、电源线、数据信号线的干扰抑制。

1）PCB电路板上的应用

PCB电路板上的干扰主要来自数字电路，其高频开关电流在电源线和地线之间产生很强的干扰。电源线和信号线在数字电路开关时会以传导或辐射的形式传输高频噪声。常用的干扰抑制方法是在电源和地之间增加去耦电容，使高频噪声短路。但单独使用去耦电容有时会引起高频谐振，产生新的干扰。在PCB电路板走线入口处增加铁氧体干扰抑制磁珠，可以有效衰减高频噪声。

2）电力线上的应用

电源线会把外界电网的干扰、开关电源的噪声传递到设备电路中。在电源出线处和PCB电路板的电源进线处设计铁氧体干扰磁芯，不仅可以抑制电源与PCB电路板之间的高频干扰传递，还可以抑制PCB电路板间高频噪声的相互干扰。

值得注意的是，电源线上使用铁氧体抗干扰磁芯有时会引起偏置电流问题——例如，如果将铁氧体磁芯放在有直流通过的电源线上，磁芯甚至可能会饱和。降低铁氧体的磁导率可以减轻偏置电流的影响，因此电源线上使用的铁氧体抗干扰磁芯应使用磁导率低、截面大的器件——在磁芯中开设气隙也可以避免偏置电流的影响。当偏置电流较大时，可以将电源线和返回线同时放在同一个磁芯中，这样也可以避免饱和。这种方法对抑制输入和返回线上的共模噪声也有效。

3）信号线上的应用

信号线上也可使用铁氧体抗干扰磁芯，抑制元件或设备间的噪声传递，但信号线的阻抗一般比电源线大，所以抑制干扰的效果不会像电源线那么明显。

4.铁氧体磁芯形状和尺寸的选择

铁氧体磁芯的形状和尺寸会影响对干扰的抑制效果。一般来说，铁氧体磁芯的体积越大，抑制效果越好。在体积一定的情况下，长而细的磁芯比短而粗的磁芯阻抗大，抑制效果更好。在有偏置电流的情况下，必须考虑饱和问题。

铁氧体磁芯的截面积越大，越不容易饱和，能承受的偏置电流越大。另外，铁氧体磁芯的内径越小，抑制效果越好。

总结：选择铁氧体磁芯的原则是在空间允许的前提下，选择尽可能长、尽可能粗、内孔尽可能小的磁芯。

5.使用铁氧体抗干扰磁芯的要点

1）在干扰源、受干扰设备的信号入口、干扰信号传输路径上使用磁芯，减少干扰对产品运行的影响。

2）不同的干扰频率范围应采用不同的磁芯材料。干扰频率低时，宜采用锰锌材料；干扰频率高时，宜采用镍锌材料。即使是同一种锰锌或镍锌材料，不同厂家生产的产品，其抑制特性也不同。

3）根据不同的用途，应选择适当形状的铁氧体磁芯材料。如图3所示，在各类导线上可采用环形、珠状、圆柱形、扁夹形和多孔形等。在PCB电路板上可采用磁珠、磁珠与陶瓷电容的组合器件、表面贴装材料等。

图3 铁氧体磁芯材料及应用示意图

4）铁氧体磁芯在电路中的阻抗与磁芯上的匝数有关，匝数越多，阻抗越大，但容易饱和，另外绕组间的分布电容也较大，不利于高频特性，这个需要通过实验来确定。

5）铁氧体磁芯用于电源线时，由于直流偏压或过大的交流电流通过，磁芯会进入饱和区，导致铁氧体阻抗下降，插入损耗增大。因此，应选用磁导率低、截面积大的材料。或在两个半环之间使用气隙——类似于卡扣式磁环。用于抑制电源线上的共模干扰时，电源线及其回线可同时穿过磁芯。由于两线上的电流流向相反，磁芯不会进入饱和状态。

6）导线上磁珠或磁管的尺寸应与导线直接匹配，磁芯绕制的剩余内径越小，抑制干扰效果越好。另外，如果空间尺寸允许，尽量选择长度和壁厚较大的磁芯。

7）使用时要特别注意铁氧体磁芯的安装位置，不同的位置会有很大不同的抑制效果，因此铁氧体磁芯的最终使用位置必须与实验测试时选定的位置一致，在选择位置时应将磁芯安装在靠近干扰源或干扰入口处，防止干扰在达到抗干扰磁芯的吸收之前耦合到其他地方。

8）对于PCB电路板来说，电磁干扰主要来源于高频、高压和高频、大电流的开关电路及数字电路。此时在电流通过的地方就会产生较强的干扰，并进一步通过电源线、信号线的耦合辐射或传导出去。因此通常需要在产生高频电压、电流的电路或器件的引脚上加上磁珠或磁环；也可以通过并联电容的方式进一步抑制电磁干扰，同样也可以在电源线入口处加磁珠或磁环及电容元件进行滤波。

9）由于磁芯在抑制干扰时起着损耗电阻的作用，它与干扰源、负载之间存在能量分配问题。由于电源线的阻抗比信号线低得多，所以在电源线上加磁芯的效果比信号线明显得多。

10）为防止磁芯在线上移动，损坏电线或与其它元器件相碰，磁芯穿到电线上后要用热缩套管固定。

6. 使用铁氧体抗干扰磁芯的常见示例

某设备有两个辐射频点超标，一个是40MHz，一个是。经检查，确定是电缆共模辐射引起的。在连接电缆上绕一圈磁环后，的干扰明显减小，不再超标；但40MHz仍然超标。在连接电缆上绕磁环3圈以上后，40MHz的干扰减小，不再超标，但该位置再次超标。通过分析，在连接电缆上增加不同圈数对应的铁氧体磁环，可以提高低频阻抗，因此可以抑制40MHz处的共模辐射。但在连接电缆上绕磁环3圈以上后，匝间线圈与铁氧体磁芯之间的寄生电容会增大，导致高频阻抗下降，引起辐射超标。

解决方法：可以在这根连接线上套两个磁环，其中一个磁环将连接线绕在其上一圈，以抑制40MHz的辐射过大，另一个磁环上再绕3圈以上，以应对40MHz的辐射过大，两个磁环串在一起比较近。

注意：当电缆线通过大电流穿过铁氧体磁环时，由于磁饱和问题，铁氧体的阻抗会下降，此时在选择磁芯时，可以有意识地选择长度和壁厚较大的磁环来改善。同时，由于铁氧体磁环主要抑制高频干扰，而高频干扰一般都是共模干扰，因此在使用时，让载有电流的线对及其返回的线对同时穿过铁氧体磁环，可以避免电流偏置，也不会改变对共模干扰电流的衰减效果。

铁氧体环的安装位置一般应尽量靠近干扰源。对于屏蔽机箱上的连接电线电缆，磁环应尽量靠近机箱上连接电线电缆的进出线处。当铁氧体环和电容滤波连接器一起使用时，其效果会更好。这是因为铁氧体环的效果取决于原共模环路的阻抗，原环路的阻抗越低，磁环的效果越明显。因此，当在原电缆两端都安装电容滤波连接器时，其阻抗很低，磁环的设计和安装效果会更加明显。

以上这些对于我们日常的电磁兼容设计和整改都有着十分重要的参考意义，在本人出版的《开关电源电磁兼容分析与设计》一书中，第6章《开关电源中磁性元件的EMI分析与设计》给出了进一步的分析和设计参考。

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