电磁干扰抑制铁氧体:理解静磁学

2022年8月18日

Cadence PCB解决方案

关键的外卖

铁氧体磁芯中的磁导率和阻抗的快速概述。
损耗材料和线圈的结构是EMI功能的关键。
一些步骤，以缩小可行的铁氧体必需的设计。

作为一个超大电感，铁氧体提供了优秀的EMI抑制能力

在高速设计的时代，抵消EMI比以往任何时候都重要。速度已达到十亿字节范围，而且随着制造技术的进一步发展，速度只会进一步提高。随着上升和下降时间的加快，噪声变得更加明显，特别是在快速开关电源设备的情况下。

虽然材料选择和适当的布局实践可以帮助减少系统中噪声的影响，但有时需要采取额外的测量。铁氧体提供了从系统信号中去除噪声的出色能力，特别是在产品测试期间，当大多数设计修订比解决EMI的特别方法更昂贵时。

电磁干扰抑制铁氧体是专门设计作为一种非导电材料。通过磁感应的功率，EMI抑制铁氧体能够去除一些信号能量，显著衰减落在目标频率范围之外的噪声。

铁磁学中的磁导率与阻抗

在铁磁学中，电磁干扰抑制来自于材料的复杂磁导率。为了恰当地描述复杂渗透率，必须从B-H循环开始讨论。最常与磁滞， B-H环表示磁场之间的关系H(有时称为磁通量密度)和磁通量B．为了减少混淆，必须注意B有时用来指通量或通量密度，但此处的用法仅反映前者的名称。

当退磁铁磁受到越来越大的磁场时，磁通量和磁导率沿相似的曲率增加，直到磁导率达到最大值，称为饱和。在饱和时，磁场的持续增大使磁导率逐渐减小，逐渐趋近于零，而磁通量接近最大值。

但是这和EMI抑制有什么关系呢?导磁率与自由空间的本征阻抗的关系如下式所示:

请注意，Z =阻抗，μ =磁导率，σ =电导率，ε =电介电常数，j⍵是虚单位乘以径向频率的乘积。σ与j⍵ε相比并非微不足道，因为铁氧体是一种有耗介质。

材料选择和线圈结构

选择一种鼓励能量损失的材料的想法可能看起来很奇怪，但实际上这是铁氧体帮助减少和消除噪音的机制。实际上，通过将导线穿过环形铁氧体，技术人员正在建造一个大型电感器，导线提供围绕核心的绕组。当电流流过导线时，磁通量在芯线中形成。

材料

从宏观层面来看，磁通量的核心原则是，它将试图通过将电流转换为磁能来抵抗任何变化。然而，损耗材料的选择确保了电流到磁能的转换(反之亦然)是一个故意低效的过程。结果，分离电流减小，期望噪声的幅度越小，能量损失的减小比例越大。

铁氧体线圈提供额外的作为低通过滤器的好处．阻抗可以从复平面上的一点解析为其实分量和虚分量的大小。随着频率的增加，阻抗由由电抗(虚数项)支配变为由电阻(实数项)支配。因为与电抗相关的“电阻”只涉及信号中的相位偏移(而不是幅度的变化)，因此低频信号可以不受限制地通过。

线圈绕组

除了材料，线圈的结构也影响EMI抑制能力。导线绕芯材料的线圈或线圈的数量与线圈的电感有关，线圈越多，电感越强(反之亦然)。随着风圈的增多，每一次风之间的平均距离就会缩短。如果绕组之间的距离减小到足以使带电导电表面靠近，就会产生电容耦合。在所有的工程中，一个平衡的行为随之而来:设计师可以选择用更少的绕组来强调高速频率的降噪，或者用更多的绕组来实现更低的速度频率。

电磁干扰抑制铁氧体设计:需要考虑的问题

有了基本的想法EMI抑制铁氧体功能，实现其在电子产品中的应用的下一个重要步骤是学习如何将这些信息纳入工程设计流程。以下要点提供了如何进行选择的一般指引:

过滤器-电路中的噪声在哪个频率范围内工作?铁氧体磁芯可以通过材料、形状和结构进行大量修改，以衰减噪声。
现场条件-材料随热而变化，阻抗也不例外。检查制造商的数据表，以确定EMI抑制铁氧体在不同温度下的表现。
阻抗-设计人员需要注意他们所针对的源阻抗和负载阻抗。
衰减-在截止频率处的下降需要有多陡才能适当地抑制信号EMI?
源,电磁干扰是如何在设计中传播的?处理辐射EMI和传导EMI需要两种截然不同的方法。
位置- - - - - -电路板设计是否支持包含适当大小的线圈以获得适当的EMI性能?它能装进笼子里吗?会有任何与损耗材料耗散有关的热问题吗?线圈是否存在于板外(在许多设计中很常见)，这是否需要进一步的设计决策?