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抗传导EMI滤波器及其软磁铁氧体

 1 引言
抑制电磁干扰基本方式有:第一种,屏蔽或吸收—用电磁波吸收材料或屏蔽材料把导体、元器件或电路设备从散射的电磁场中隔离;第二种,滤波—用铁氧体电感与容性元件连接组成LC低通滤波器,衰减掉高频干扰信号;第三种,穿心电感—用铁氧体磁环(珠、通)单独套在其它元件的引线或电缆上,防止各种寄生振荡、衰减拾得的或传输的干扰信号。
功能要求:1. 电磁波能量会有效进入到电波吸收体材料内(减少反射能力);2. 进入到电波吸收体材料内能量可快速、完全被衰减掉(电磁损耗材料、欧姆损耗材料、介电损耗材料、磁损耗材料)。
第二、第三种方法为抗传导干扰,占多数案俐,本文就此应用的铁氧体材料选择做一论述。
2 铁氧体磁环抗EMI的工作原理
2.1 铁氧体磁环的复数阻抗
众所周知,铁氧体在交变磁场下使用时,其磁导率可用复数表示:
μ=μ’- jμ"
式中实部μ’表示磁性材料的能量储存,它构成磁心器件的电感,虚部μ"对应于磁损耗。损耗角正切为tgδ=μ"/μ’,损耗因数为tgδ/μi,表示磁性材料中的损耗。它们都是频率的函数,随频率变化而变化。
若将磁导率为μ的铁氧体插人电感量为L0的线圈中(假设线圈无损耗),则该线圈的复数阻抗Z可表示为:
Z=jωL0 μ=jωL0(μ’-jμ")=ωL0 μ"+ jωL0 μ’=R+Jx
式中,R等效于电阻:R=ωL0 μ"
    X等效于电抗:X=ωL0 μ’      

ω为角频率:ω=2πf
作为器件磁芯的阻抗,
z=Kωμ"+ jKωμ’
式中,k为系数,与磁芯尺寸、绕线匝数、形状有关。
R与X当然亦部是频率的函数,随着频率增高而迅速变大。铁氧体磁心作为抗EM1元件使用时,因工作信号频率与EMI频率相距甚远,低频端阻抗小,不影响工作信号通过,而EMI信号处在高频段,铁氧体磁心此时呈高阻抗,其中电抗部分x可储存EM1信号的能量,通过旁路电容将其释放掉,抑制该处的EMI信号,但不能完全消除或吸收,仍可能对电路工作形成干扰;电阻部分R则将EMI信号的能量变成热能,消耗散发掉。从而起到抑制、消除EM1的功能。
2.2 铁氧体磁心的插人损耗
铁氧体磁心作为抑制EMI元件应用时,都是和信号系统、负载串联使用,等效电路如图1所示。图中Z为铁氧体磁心的阻抗。ZS和ZL分别为源阻抗和负载阻抗。使用铁氧体元件后,EMI信号衰减(即插入损耗)可按下式计算:
IL=20LOg(ZS+ZL+Z)/(Zs+Z)db
2.3 铁氧体磁心的阻抗频率特性
众所周知,铁氧体磁心的材料成分,制造工艺不同,其磁性能就不同,因此它们的阻抗频谱特性也不同。将四种磁芯的阻抗频谱示于图2(a)、(b)。阻抗频谱系用HP4191A阻抗分析仪进行测试的。由图可见,四种磁芯的R、X都随频率的增高而增大,呈现出高阻抗的特性,但它们的高阻抗特性所处的频段各个相同,x=R的谐振频率点f0也各不相同。若以f0作为抗EMI铁氧体磁心阻抗频谱特性的频率表征值,再将它们在100kHz下测得的μi值相对应,结果如表1所示。
表 1  四种铁氧体磁心的μi与f0
铁氧体磁心编号 μi(100kHz) f0(X=R时)/MHz
1 3025 1.2
2 2050 2.8
3 517&nb