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电磁兼容设计中的铁氧体EMI抑制器件

2021/9/14

  1. 铁氧体EMI抑制器件的应用

  铁氧体抑制器件广泛应用于PCB、电源线和数据线上。

  1)铁氧体EMI抑制器件在PCB上的应用:EMI设计的首要方法是源头抑制

  法,即在PCB上的EMI源头处将EMI进行抑制。这个设计思想是将噪声限制在小的区域,避免高频噪声耦合到其它电路,而这些电路通过连接线缆可能产生更强的辐射。

  PCB上的EMI源头来自于数字电路。其高频电流在电源线和地之间产生一个共模电压降,造成共模骚扰。电源线或信号线上的去耦电容会将IC开关的高频噪声短路,但是去耦电容常常会引起高频谐振,造成新的骚扰。在电路板的电源进口处加上铁氧体抑制磁珠会有效地将高频噪声衰减掉。

  2)铁氧体EMI抑制器件在电源线上的应用:电源线会把外界电网的骚扰、开关电源的噪声传递到主机板上。在电源的输出口和PCB电源线的入口设置铁氧体抑制器件,既可抑制电源与PCB之间高频骚扰的传输,也可抑制PCB之间高频噪声的相互骚扰。

  值得注意的是:在电源线上应用铁氧体器件时,有时有偏流存在。铁氧体的阻抗和插入损耗随着偏流的增加而降低。当偏流增加到一定值时,铁氧体抑制器件会出现饱和现象。在EMC设计时要考虑饱和时插入损耗降低的问题。铁氧体的磁导率越低,插入损耗受偏流的影响越小,越不容易饱和。所以用在电源线上的铁氧体抑制器件,要选择磁导率低的材料和横截面积大的元件。

  当偏流较大时,可将电源的出线(AC的火线,DC的正线)与回线(AC的中线,DC的地线)同时穿入一个磁芯/磁环。这样可以避免饱和,此时就可以抑制共模噪声。

  3)铁氧体抑制元件在信号线上的应用:铁氧体抑制元件最常用的地方就是

  信号线。比如在某些产品中,EMI信号会通过主机到显示的电缆传入到主机的驱动电路,然后耦合到CPU,使电路不能正常工作。同时主机板的数据或噪声也可以通过连接电缆线辐射出去。铁氧体磁珠可以用在驱动电路与显示电路之间,将高频噪声抑制。而对数据信号可以几乎无损耗地通过铁氧体磁珠。

  扁平电缆也可用专用的铁氧体抑制器件,将噪声抑制在其辐射之前。

  2. 铁氧体EMI抑制器件的选择

  铁氧体抑制器件有多种材料、形状和尺寸可供选择。为选择合适的抑制元件,

  使其对噪声的抑制更有效,设计工程师需要知道要抑制的EMI信号的频率和强度、要求抑制的效果,即插入损耗以及允许占用的空间,包括磁芯的内径、外径和长度尺寸。

  铁氧体磁环的尺寸确定:磁环的内外径差越大,轴向越长,阻抗越大。但内径一定要包紧导线。因此,要获得大的衰减,应尽量使用体积较大的磁环。

  共模扼流圈的匝数:增加穿过磁环的匝数可以增加低频的阻抗,但是由于寄生电容的增加,高频的阻抗会减小,所以盲目增加匝数来增加衰减量是一个常见的错误。当需要抑制的干扰频带较宽时,可在两个磁环上绕不同的匝数。

  比如,某设备有两个超标辐射的频率点,一个为40MHz,另一个为较高频率比如,>300MHz。如果检测确定是由于电缆的共模辐射所导致。在电缆上套一个磁环绕1匝,大于300MHz的干扰明显减小,不再超标。但是,40MHz频率仍然超标。再使用一个磁环将电缆在磁环上绕大于3匝,40MHz干扰减小,不再超标。这是由于增加电缆上的铁氧体磁环的个数可以增加低频的阻抗,绕制的圈数增大时,高频的阻抗会减小。而出现这个现象的原因是寄生电容增加的缘故。由于铁氧体磁环的效果取决于原来共模环路的阻抗,原来回路的阻抗越低,则磁环的效果越明显。因此当原来的电缆两端如果安装了电容式滤波器时,其阻抗很低,此时磁环的效果会更明显。

  注意:铁氧体磁珠属于能耗型器件。它以热的形式消耗高频能量。这只能用电阻而不是电感的特性来解释。

  不同的铁氧体抑制材料有不同的抑制频率范围,这与初始磁导率有关。通常材料的初始磁导率越高,适用抑制的频率就越低。表1是常用的几种抑制铁氧体材料的通用适用频率范围

  表1常用的抑制铁氧体材料的适用范围

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  表1给出了常用高频铁氧体磁性材料的初始磁导率和抑制频率的关系,在有直流或低频交流偏流的情况下,要考虑到抑制性能的下降和饱和,尽量选用磁导率低的材料。而对于使用在电源线上的交流输入端应用的共模电感的磁芯,由于需要抑制10MHz以下的共模干扰噪声,此时需要选择初始磁导率更高的磁芯参数,推荐使用7000到10K的范围。

  铁氧体材料选定之后,需要选定抑制元件的形状和尺寸。抑制元件的形状和尺寸影响到对噪声的抑制效果。

  一般来说,铁氧体的体积越大,抑制效果越好。在体积一定时,形状长而细的比形状短而粗的阻抗要大,抑制效果更好。但在有DC或AC偏流的情况下,要考虑到磁饱和的问题。铁氧体抑制元件的横截面积(Ae参数值)越大,越不容易饱和,可承受的偏流越大。另外,铁氧体的内径越小,抑制效果越好。

  总之,铁氧体抑制器件选择的原则是,在使用空间允许的条件下,选择尽量长、尽量厚和内孔尽量小的铁氧体抑制器件。

  3. 铁氧体EMI抑制器件的安装

  同样的铁氧体抑制器件,由于安装的位置不同,器抑制效果会有很大的差异。

  在大部分情况下,铁氧体抑制器件应该安装在尽可能接近骚扰源的地方。这

  样可以防止噪声耦合到其它地方,在那些地方的噪声可能更难抑制。但是在I/O电路中,在导线或电缆进入或引出屏蔽壳的地方,铁氧体器件应尽可能安装在靠近屏蔽壳的进出口处,以避免噪声在经过铁氧体抑制器件之前就耦合到其它地方。

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梁先生07:19:54
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