摘要:    本文从电气系统电磁兼容设计的角度探讨了在电气设计中比较实用且效果较好的抗干扰器件铁氧体抗干扰磁心的应用。
关键词:     铁氧体抗干扰磁心;EMC

引言

严格说来,一个产品的电磁兼容设计是一个复杂的系统工程,根据产品的设计及生产特点,应包括三个方面的设计内容：结构设计,电气设计(含布线)及生产工艺设计,只有这三个方面的密切结合,才能完成整个产品的电磁兼容设计工作。本文仅从电气系统电磁兼容设计的角度来探讨电磁兼容设计中一些比较实用的抗干扰器件的应用。在笔者所参与设计的产品中主要使用的抗干扰器件有瞬态电压吸收二极管(TVS),铁氧体抗干扰磁心,隔离变压器,滤波器及电容等,本文重点探讨铁氧体抗干扰磁心的应用。

铁氧体抗干扰磁心特性

铁氧体抗干扰磁心是近几年发展起来的新型的价廉物美的干扰抑制器件,其作用相当于低通滤波器,较好地解决了电源线,信号线和连接器的高频干扰抑制问题,而且具有使用简单,方便,有效,占用空间不大等一系列优点,用铁氧体抗干扰磁心来抑制电磁干扰(EMI)是经济简便而有效的方法,已广泛应用于计算机等各种军用或民用电子设备。

铁氧体是一种利用高导磁性材料渗合其他一种或多种镁、锌、镍等金属在2000℃烧聚而成, 它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似。其电磁性能与添加金属成分以及烧结过程中的时间,温度与气体成分有关。

铁氧体材料的阻抗由两部分组成：感抗XLS和电阻,两者都与频率有关,图1为其等效电路。

图1 铁氧体抑制元件的等效电路（a）和阻抗矢量图（b）

等效阻抗Ｚ是频率的函数：

Z(f)=R(f)+jwL(f)=Kwm”(f)+jKwm’(f)

式中K是常数,与磁心尺寸和长度有关,w为角频率。

铁氧体的磁导率可以表示为复数。其中m照为铁氧体磁导率的实数部分,代表无功磁导率,构成磁性材料的电感,u''为铁氧体磁导率的虚数部分,代表损耗。损耗电阻R和感抗jwL都是频率的函数。

在低频段,铁氧体抗干扰磁心呈现出非常低的感性阻抗值,不影响数据线或信号线上有用信号的传输。而在高频段,从10MHz左右开始,阻抗增大,其感抗分量仍保持很小,电阻性分量却迅速增加,当有高频能量穿过磁性材料时,电阻性分量就会把这些能量转化为热能耗散掉。这样就构成一个低通滤波器,使高频噪音信号有大的衰减,而对低频有用信号的阻抗可以忽略,不影响电路的正常工作。这种滤波器优于普通纯电抗滤波器。后者会产生谐振,造成新的干扰,而铁氧体磁珠则没有这种现象。图2示出了抗干扰磁心制作的电感阻抗特性。

图2 抗干扰磁心制作的电感的阻抗特性

铁氧体抑制元件应用时的等效电路如图3所示。图中Ｚ为抑制元件的阻抗,ZS和ZL分别为源阻抗和负载阻抗,Z为铁氧体抑制元件的阻抗。通常用插入损耗表示抑制元件对EMI信号的衰减能力。器件的插入损耗越大,表示器件对EMI噪音抑制能力越强。

图3 铁氧体抑制元件应用电路

若磁心使用前后在ZL上的电压分别为E1和E2,则磁心对噪声的衰减为:

A=20lg(E1/E2)= 20lg(ZS+Z+ZL)/(ZS+ZL)

由上式可知：信号源内阻ZS与负载阻抗ZL之和越小,而铁氧体的等效阻抗Z越大,则对高频干扰的抑制作用越好。

铁氧体抗干扰磁心在产品设计中的应用

常见的磁心种类应用方见表1。

笔者在产品研制中,针对电气部分的电磁兼容设计广泛地使用了铁氧体抗干扰磁心,取得了较好的效果。

印制板电路中的去耦

系统中的高速数字电路是印制板级EMC的重点之一,其集成电路的高频开关电流在电源线和地线之间产生的强烈干扰会以传导和辐射方式进入系统其他电路,严重的会干扰系统的正常工作。常用的干扰抑制是在电源和地间加去耦电容为高频噪声提供一个低阻抗的路径,但单用去耦电容有时会引起高频谐振,造成新的干扰,而铁氧体磁珠(Ferrite bean)却由于其原理不同可以有效地衰减高频噪声,不存在上述问题,因此为了提高去耦电容的效果,可在电容的电源一侧安装抗干扰铁氧体磁珠即EMC专用Ferrite bean,由于磁珠对高频电流呈现较大的阻抗,可以阻止电源向电路提供高频电流,增强去耦电容的效果,需要注意的是磁珠的位置,正确安装位置见图4,绝对不能放在去耦电容靠近器件的一侧。

图4 铁氧体在失去藕电路中的安装位置

在我们产品的设计初期,就明确要求所有单机在电路设计时,电源和地的输入端务必考虑有铁氧体磁心的设计或预留焊装空间,这样可以在产品的调试和试验中根据具体情况进行焊装。速度较高的电路采用贴片式磁珠,如选用日本MURATA的贴片式EMC专用 Ferrite bean,而要求不高的电路也可以采用珠形磁珠。

伺服电路中大电流信号的抗干扰设计

随着伺服电路设计的小型化和集成化,其广泛采用的PWM伺服驱动控制方式所产生的电磁干扰也一直是产品的电磁兼容设计的重点和难点,由于集成模块电路功率较大,因此在脉冲的上升和下降沿会产生较高频率的干扰信号,再加上设备较复杂的设计不完善的地线系统提供干扰途径,从而对系统工作带来不良影响,在本产品的调试阶段伺服电路产生的干扰信号就对较弱的视频信号造成了干扰。经过对干扰现象及系统的分析,明确干扰源为伺服驱动的PWM驱动信号,干扰途径为通过伺服驱动的电源,进入系统的电源系统从而污染了视频电路的供电,造成对视频信号的干扰。针对此情况,笔者和伺服电路的设计人员决定利用铁氧体抗干扰磁心的特性来对噪声进行衰减,即在伺服的驱动电源线上增加铁氧体抗干扰器件,实验证明效果非常显著,图5和图6为未加抗干扰磁心前的视频图像和采用抗干扰磁心之后的视频图像的效果对比。

图5 未加抗干扰磁心时的图象（可见图象上有黑白相间的横纹干扰）

图6 在伺服驱动的电源上增加抗干扰磁心后的图象（图5中的横纹干扰已完全消除）
电缆上铁氧体磁环的应用

针对视频信号为频率较高及幅值较小的模拟信号,容易被干扰的特点,在产品设计中的视频传输和连接电缆也是专门选用带有铁氧体磁环封装后的视频传输电缆,从而确保图像的显示质量。

铁氧体抗干扰磁心选用说明

·铁氧体的阻抗是选择时的一个重要因素,因此在所要求的吸收频段,阻抗越大越好, 铁氧体阻抗随绕组匝数的平方而增加,但要注意会损失其高频性能。

·选择铁氧体磁心的另外几个关键参数是长度和内径,其次是外径。 铁氧体的效能随内径的倒数减小而下降,尽可能选用长而内径较小的铁氧体,要注意铁氧体的效能随长度线性增加,但有一个固定的极限值,并不是越长越好。通常体积较大的磁心抑制效果好,体积一定时,长而细的比短而粗的效果好。

·如果对小信号滤波,可忽略电流,但如果对电源线或大功率信号滤波,必须考虑峰值电流,这是因为铁氧体在合直流或低频交流电流情况下会发生饱和。 导磁率下降,以致抑制高频噪声的效果明显减弱,注意我们说的是“合电流”,一个同时套在直流线和回流线上的铁氧体内没有合直流电流。 因此在使用时可以采用将信号线或电源线与回线同时套在一个磁心里面或尽量选用磁导率低和横截面大的器件来防止磁心出现饱和。

·铁氧体磁心由于材料不同,其抑制频段有所不同,锰锌铁氧体比较适合用在低频(30MHz或更低),而镍锌铁氧体比较适合用在高频(25-200MHz或更高),在选用时要特别注意弄清所选用磁心的材料。

·选用用于单根导线上的干扰抑制的磁珠时要注意在抑制效果上,一般长单珠优于短珠效果,多孔珠抑制效果优于单孔珠。如中石或成都新欣神风公司提供的产品中多孔珠S62的抑制效果在同一系列的EMI磁珠中就最好。

·由于电磁干扰的不确定性,可能在调试阶段会需要加装磁环,这时可以选用分装式磁环,但注意要尽可能选用内径较小的,长度较长的磁环,同时,磁环一定要紧紧包住电缆,即磁环的内径尺寸要与电缆的外径尺寸紧密配合。

结语

本文对铁氧体抗干扰磁心器件的选用原则及在相关产品上的应用做了较为详细的介绍,随着军用产品可靠性的提高,电磁兼容设计的深入,相信此类器件会在产品设计中得到越来越广泛的应用。本文在成文过程中得到李为民高工和马俊同志的大力帮助,在此表示诚挚的谢意。

参考文献:    
1.  钱振宇编著,“3C认证中的电磁兼容测试与对策”,电子工业出版社,2004
2.  董光天编著,“电磁干扰测量与控制1000问”,电子工业出版社,2004
3.  杨继深编著,“电磁技术之产品研发与认证”,电子工业出版社,2004
4.  北京瑞特电子技术公司,电磁兼容与电磁干扰抑制技术(第三期),2003