鐵氧體抗干擾磁心在電子設(shè)備EMC設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要:    本文從電氣系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)的角度探討了在電氣設(shè)計(jì)中比較實(shí)用且效果較好的抗干擾器件鐵氧體抗干擾磁心的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:     鐵氧體抗干擾磁心；EMC

引言

嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，一個(gè)產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)特點(diǎn)，應(yīng)包括三個(gè)方面的設(shè)計(jì)內(nèi)容：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電氣設(shè)計(jì)(含布線)及生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)，只有這三個(gè)方面的密切結(jié)合，才能完成整個(gè)產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)工作。本文僅從電氣系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)的角度來(lái)探討電磁兼容設(shè)計(jì)中一些比較實(shí)用的抗干擾器件的應(yīng)用。在筆者所參與設(shè)計(jì)的產(chǎn)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(diǎn)探討鐵氧體抗干擾磁心的應(yīng)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(lái)的新型的價(jià)廉物美的干擾抑制器件，其作用相當(dāng)于低通濾波器，較好地解決了電源線，信號(hào)線和連接器的高頻干擾抑制問(wèn)題，而且具有使用簡(jiǎn)單，方便，有效，占用空間不大等一系列優(yōu)點(diǎn)，用鐵氧體抗干擾磁心來(lái)抑制電磁干擾(EMI)是經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便而有效的方法，已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)等各種軍用或民用電子設(shè)備。

鐵氧體是一種利用高導(dǎo)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(jī)械性能與陶瓷相似。其電磁性能與添加金屬成分以及燒結(jié)過(guò)程中的時(shí)間，溫度與氣體成分有關(guān)。

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(guān)，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(zhǎng)度有關(guān)，w為角頻率。

鐵氧體的磁導(dǎo)率可以表示為復(fù)數(shù)。其中m照為鐵氧體磁導(dǎo)率的實(shí)數(shù)部分，代表無(wú)功磁導(dǎo)率，構(gòu)成磁性材料的電感，u'為鐵氧體磁導(dǎo)率的虛數(shù)部分，代表?yè)p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(hào)線上有用信號(hào)的傳輸。而在高頻段，從10MHz左右開(kāi)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(dāng)有高頻能量穿過(guò)磁性材料時(shí)，電阻性分量就會(huì)把這些能量轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。這樣就構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，使高頻噪音信號(hào)有大的衰減，而對(duì)低頻有用信號(hào)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(huì)產(chǎn)生諧振，造成新的干擾，而鐵氧體磁珠則沒(méi)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(yīng)用時(shí)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(fù)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(duì)EMI信號(hào)的衰減能力。器件的插入損耗越大，表示器件對(duì)EMI噪音抑制能力越強(qiáng)。

圖3 鐵氧體抑制元件應(yīng)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(duì)噪聲的衰減為:

A=20lg(E1/E2)= 20lg(ZS+Z+ZL)/(ZS+ZL)

由上式可知：信號(hào)源內(nèi)阻ZS與負(fù)載阻抗ZL之和越小，而鐵氧體的等效阻抗Z越大，則對(duì)高頻干擾的抑制作用越好。

鐵氧體抗干擾磁心在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

常見(jiàn)的磁心種類應(yīng)用方見(jiàn)表1。

筆者在產(chǎn)品研制中，針對(duì)電氣部分的電磁兼容設(shè)計(jì)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(jí)EMC的重點(diǎn)之一，其集成電路的高頻開(kāi)關(guān)電流在電源線和地線之間產(chǎn)生的強(qiáng)烈干擾會(huì)以傳導(dǎo)和輻射方式進(jìn)入系統(tǒng)其他電路，嚴(yán)重的會(huì)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(gè)低阻抗的路徑，但單用去耦電容有時(shí)會(huì)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(wèn)題，因此為了提高去耦電容的效果，可在電容的電源一側(cè)安裝抗干擾鐵氧體磁珠即EMC專用Ferrite bean，由于磁珠對(duì)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(qiáng)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(jiàn)圖4，絕對(duì)不能放在去耦電容靠近器件的一側(cè)。

圖4 鐵氧體在失去藕電路中的安裝位置

在我們產(chǎn)品的設(shè)計(jì)初期，就明確要求所有單機(jī)在電路設(shè)計(jì)時(shí)，電源和地的輸入端務(wù)必考慮有鐵氧體磁心的設(shè)計(jì)或預(yù)留焊裝空間，這樣可以在產(chǎn)品的調(diào)試和試驗(yàn)中根據(jù)具體情況進(jìn)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(hào)的抗干擾設(shè)計(jì)

隨著伺服電路設(shè)計(jì)的小型化和集成化，其廣泛采用的PWM伺服驅(qū)動(dòng)控制方式所產(chǎn)生的電磁干擾也一直是產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，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(huì)產(chǎn)生較高頻率的干擾信號(hào)，再加上設(shè)備較復(fù)雜的設(shè)計(jì)不完善的地線系統(tǒng)提供干擾途徑，從而對(duì)系統(tǒng)工作帶來(lái)不良影響，在本產(chǎn)品的調(diào)試階段伺服電路產(chǎn)生的干擾信號(hào)就對(duì)較弱的視頻信號(hào)造成了干擾。經(jīng)過(guò)對(duì)干擾現(xiàn)象及系統(tǒng)的分析，明確干擾源為伺服驅(qū)動(dòng)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，干擾途徑為通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)的電源，進(jìn)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(duì)視頻信號(hào)的干擾。針對(duì)此情況，筆者和伺服電路的設(shè)計(jì)人員決定利用鐵氧體抗干擾磁心的特性來(lái)對(duì)噪聲進(jìn)行衰減，即在伺服的驅(qū)動(dòng)電源線上增加鐵氧體抗干擾器件，實(shí)驗(yàn)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(duì)比。

圖5 未加抗干擾磁心時(shí)的圖象（可見(jiàn)圖象上有黑白相間的橫紋干擾）

圖6 在伺服驅(qū)動(dòng)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(yīng)用

針對(duì)視頻信號(hào)為頻率較高及幅值較小的模擬信號(hào)，容易被干擾的特點(diǎn)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的視頻傳輸和連接電纜也是專門(mén)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(zhì)量。

鐵氧體抗干擾磁心選用說(shuō)明