镍锌铁氧体 磁环选型及应用:抗干扰元件的详细解析与应用场景
2024-06-27 20:08:05发布 浏览140次 信息编号:76824
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大家好,我是蜗牛哥,今天给大家分享一下磁环选择和应用相关的一些知识,希望对大家有所帮助。
本文将从以下四个方面对磁环进行讲解。
1、磁环的应用场景
首先,我们来看一些图片
图 1 显示器 VGA 电缆
图 2 适配器电缆
图3 USB通信线
这三根线都是我们生活中常见的电源线或者通讯线,它们都有一个特点,就是在连接线上有一个凸起的部分,这个凸起的部分是什么呢?毫无疑问,这就是加的磁环。
磁环是电子产品中常用的抗干扰元件,对高频噪声有很好的抑制作用,一般采用铁氧体材料(Mn-Zn)制成。
磁环在不同频率下具有不同的阻抗特性,一般在低频时阻抗很小,当信号频率增加时,磁环的阻抗急剧增加。在EMC工程设计中,磁环起着重要作用,应用十分广泛。
2、磁环工作原理
图4 磁环等效电路
如图4所示,为应用中磁环的等效电路。L为等效电感,R为电缆的等效直流阻抗,C为绕组间产生的分布电容。这个分布电容要特别注意,它会降低高频滤波性能。
图5 磁环阻抗曲线
如图5所示,当磁环未饱和时,信号频率越高,对应的阻抗就越高,当频率超过谐振点之后,阻抗就会呈现下降的趋势。
图6 EMC整改常用扣式磁环
扣式磁环与铁氧体最大的区别就是损耗大,用这种扣式磁环做成的电感具有更接近电阻的特性,是一种电阻值随频率的增加而增大的电阻器,当高频信号通过铁氧体磁环时,电磁能量会以热量的形式耗散掉。
3、磁环的分类
(1)铁氧体环
一般锰锌环都是漆成绿色的。
铁氧体磁环主要有镍锌铁氧体磁环和锰锌铁氧体磁环,按磁导率分类:
镍锌铁氧体的磁导率在100-1000之间,称为低磁导率环。
锰锌铁氧体磁环材料的磁导率一般在1000以上,称为高导磁环。
图7 锰锌铁氧体高导磁环
镍锌铁氧体磁环一般用于各种电线、电路板末端、电脑设备防干扰;
锰锌铁氧体磁环具有较大的磁导率,该类磁环通常用来绕制共模电感,用于抑制电源接口处的低频共模传导干扰。
图8 共模电感
一般共模电感抑制频带在500K-30M之间,滤波频带比铁粉芯差模电感高。
一般来说,材料磁导率越低,适用频率范围越宽;材料磁导率越高,适用频率范围越窄。
(2)铁粉芯磁环
铁粉芯环采用两种颜色来区分材质,常用的有-2(红色/透明)、-8(黄色/红色)、-18(绿色/红色)、-26(黄色/白色)和-52(绿色/蓝色)
图9 铁粉芯磁环
铁粉芯磁环是由碳基铁磁粉和树脂碳基铁磁粉组成,具有很低的磁导率。磁粉与绝缘材料之间有气隙,一般磁导率在20-100之间。由于铁粉芯磁环具有很低的磁导率,在差模电流很大的条件下,不容易饱和。因此,经常用铁粉芯磁环来制作差模电感。
图10 差模电感
铁粉芯差模电感具有很低的滤波频带,几十或几百KHz,可以抑制电源线传导的差模干扰。
铁粉芯在电子电路中主要用来解决电磁兼容(EMC)问题,实际应用中根据不同波段滤波要求不同,还会添加各种其他物质。
(3)铁硅铝磁环
铁硅铝酸盐一般都是黑色的。
磁环是最常用的磁环之一。简单来说,是由铝硅铁组成的,具有非常高的Bmax(Bmax是磁芯横截面积上的平均最大磁通密度)。它的磁芯损耗比铁粉芯和高磁通量低得多,磁致伸缩小(噪音小)。它是一种低成本的储能材料,没有热老化,可用于替代铁粉芯,在高温下性能非常稳定。
图11 铁硅铝磁环
的主要特点是损耗比铁粉芯小,直流偏流特性好,价格不是最高也不是最低,介于铁粉芯和之间。
铝硅铁粉芯磁性能优良,功率损耗小,磁通密度高,在-55C~+125C温度范围内使用,具有耐温、防潮、抗震等可靠性高;
同时磁导率范围宽,可达60~160,是开关电源输出电感、PFC电感、谐振电感的最佳选择,具有极高的性价比。
(4)非晶磁环
非晶磁环是一种新产品,正在逐渐流行起来。
非晶磁环一般是白色或者黑色的,有一个显著的特点就是外壳是塑料的,所以很容易识别,因为非晶磁环是用胶带缠绕的,所以一定要包上塑料壳保护,不然会碎掉。
与锰锌铁氧体磁环相比,非晶磁环的磁导率较高,通常都在10K以上甚至几百K,而且磁导率非常大。
图12 非晶磁环
非晶磁环通常用于绕制共模电感,用来抑制低频传导干扰。与锰锌铁氧体相比,非晶磁环价格较贵,但其磁导率较大,因此可以把电感体积做得较小。另外滤波效果也比锰锌铁氧体好。
据说可以滤除到几十MHz,已经接近锰锌铁氧体磁环了,所以现在滤波器里也有用非晶磁环做共模电感的!
4.EMC加磁环整改技巧
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1、选择磁环要“尽量长、尽量粗、内径尽量小”。即磁环越长越好,穿过的孔径和电缆越紧越好。但在直流或交流偏压情况下,还存在铁氧体饱和的问题。抑制元件截面积越大,越不容易饱和。
图13 不同内径的磁环
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2、磁环对电磁波有条件反射作用,从而减少信号传输的失真。磁环的位置应尽量靠近源端(电缆进出线口),这样会更有效地抑制电磁辐射。
图14 磁环置于源端
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3、抑制高频干扰时,宜用镍锌铁氧体,抑制低频干扰时,宜用锰锌铁氧体。由于锰锌铁氧体的磁导率为几千至几万,而镍锌铁氧体的磁导率为几百至几千,所以磁环铁氧体的磁导率越高,其低频时的阻抗就越大,高频时的阻抗就越小。
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4、如何避免磁环饱和?当大电流流过穿过铁氧体的导线时,容易引起饱和,降低元件性能。为避免这种情况,可将电源的两根导线(正极和负极)同时穿过一个磁环。
图15 电源两根线(正极、负极)同时穿过磁环
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5、有低频干扰时,建议将电缆绕2-3圈,一方面可以增大通过环的面积,增加等效吸收长度,另一方面可以充分利用磁环的磁滞特性,改善低频特性。有高频干扰时,不能绕(因为实际磁环上有寄生电容,这个寄生电容是和电感并联的,但遇到高频干扰信号时,这个寄生电容会使磁环电感短路,失去作用),此时可以选择较长的磁环。
图 16 磁环匝数
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6、绕线匝数小技巧:理论上匝数越多抑制低频干扰效果越好,但由于寄生电容的增加,抑制高频噪声的效果较弱(一味增加匝数来增加衰减是常犯的错误)。实际应用中,需要根据信号干扰频率调整匝数。当干扰频率的频带较宽时,可以在电缆上套两个磁环,各套不同的匝数,这样可以同时抑制高频干扰和低频干扰。也可以同时套镍锌和锰锌铁氧体,这样干扰频带更宽。
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7、磁环属于易碎品,所以在安装过程中需要固定好,避免运输过程中发生碰撞,导致磁环断裂,我们一般用扎带固定。
图17 用扎带固定(再将磁环固定在设备上)
最后,磁环只是EMC整改中常用的一个元件,用来查找问题,必要时才用。设计时尽量加电容电感,从源头上消除干扰,最好什么都不要加。
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《郑俊琪EMC(电磁兼容)设计与测试案例分析》
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今天的分享就到这里,希望对大家有帮助。
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