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用鐵氧體磁環(huán)材料抑制電磁干擾(EMI)是經(jīng)濟簡便而有效的方法,已廣泛應用于計算機等各種jy或民用電子設備。那么什么是鐵氧體呢?如何選擇,怎樣使用鐵氧體元件呢?這篇文章將對這些問題作一簡要介紹。
一、什么是鐵氧體抑制元件
鐵氧體是一種立方晶格結構的亞鐵磁性材料,它的制造工藝和機械性能與陶瓷相似。但顏色為黑灰色,故又稱黑磁或磁性瓷。鐵氧體的分子結構為MO·Fe2O3,其中MO為金屬氧化物,通常是MnO或ZnO。
衡量鐵氧體磁性材料磁性能的參數(shù)有磁導率μ,飽和磁通密度Bs,剩磁Br和矯頑力Hc等。
對于抑制用鐵氧體材料,磁導率μ和飽和磁通密度Bs是最重要的磁性參數(shù)。磁導率定義為磁通密度隨磁場強度的變化率。
μ=△B/△H
對于一種磁性材料來說,磁導率不是一個常數(shù),它與磁場的大小、頻率的高低有關。當鐵氧體受到一個外磁場H作用時,例如當電流流經(jīng)繞在鐵氧體磁環(huán)上的線圈時,鐵氧體磁環(huán)被磁化。隨著磁場H的增加,磁通密度B增加。當磁場H場加到一定值時,B值趨于平穩(wěn)。這時稱作飽和。對于軟磁材料,飽和磁場H只有十分之幾到幾個奧斯特。隨著飽和的接近,鐵氧體的磁導率迅速下降并接近于空氣的導磁率(相對磁導率為1)如圖1所示。
圖1 鐵氧體的B-H曲線
鐵氧體磁環(huán)的磁導率可以表示為復數(shù)。實數(shù)部分μ’代表無功磁導率,它構成磁性材料的電感。虛數(shù)部分μ"代表損耗,如圖2所示。
μ=μ’-jμ"
圖2 鐵氧體的復數(shù)磁導率
磁導率與頻率的關系如圖3所示。在一定的頻率范圍內μ’值(在某一磁場下的磁導率)保持不變,然后隨頻率的升高磁導率μ’有一{zd0}值。頻率再增加時,μ’迅速下降。代表材料損耗的虛數(shù)磁導率μ"在低頻時數(shù)值較小,隨著頻率增加,材料的損耗增加,μ"增加。如圖3所示,圖中tanδ=μ"/μ’
圖3 鐵氧體磁導率與頻率的關系
圖4 鐵氧體抑制元件的等效電路(a)和阻抗矢量圖(b)
二、鐵氧體抑制元件的阻抗和插入損耗
當鐵氧體元件用在交流電路時,鐵氧體元件是一個有損耗的電感器,它的等效電路可視為由電感L和損耗電阻R組成的串聯(lián)電路,如圖4所示。
鐵氧體元件的等效阻抗Z是頻率的函數(shù)Z(f)=R(f)+jωL(f)=Kωμ"(f)+jKωμ’(f)
式中:K是一個常數(shù),與磁芯尺寸和匝數(shù)有關,ω為角頻率。
損耗電阻R和感抗jωL都是頻率的函數(shù),圖5是材料850磁珠的阻抗、感抗和電阻與頻率的關系。在低頻端(<10MHz)阻抗小于10Ω,隨著頻率的增加,由于電阻分量增加,使阻抗增加,電阻逐漸成為主要部分。在頻率超過100MHz時,磁珠的阻抗將大于100Ω。這樣就構成一個低通濾波器,使高頻噪音信號有大的衰減,而對低頻有用信號的阻抗可以忽略,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。后者會產生諧振,造成新的干擾,而鐵氧體磁珠則沒有這種現(xiàn)象。
圖5 鐵氧體的阻抗與頻率的關系
鐵氧體抑制元件應用時的等效電路如圖6所示。圖中Z為抑制元件的阻抗,Zs和ZL分別為源阻抗和負載阻抗,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EMI信號的衰減能力。器件的插入損耗越大,表示器件對EMI噪音抑制能力越強。
圖6 鐵氧體抑制元件應用電路
插入損耗的定義為
式中:P1、V1分別為抑制元件接入前,負載上的功率和電壓。
P2、V2分別為抑制元件接入后,負載上的功率和電壓。
插入損耗和抑制元件的阻抗有如下關系:要充分發(fā)。