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磁環(huán)選型攻略及EMC整改技巧

 MXJ45A 2022-07-15 發(fā)布于湖北
如下圖所示，本文將從四個方面對磁環(huán)進行闡述：

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一、磁環(huán)的應用場景


首先，我們來看幾張圖片：

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圖1：顯示屏VGA線

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圖2：適配器連接線

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圖3：USB通信線

這三根線都是我們生活中常見的供電線或通信線，它們都有一個特點，就是連接線上都有很突出的一部分，這突出的部分是什么呢？毫無疑問這就是加的磁環(huán)。

磁環(huán)是電子產(chǎn)品中常用的抗干擾元件，對于高頻噪聲有很好的抑制作用。一般使用鐵氧體材料（Mn-Zn）制成。

磁環(huán)在不同的頻率下有不同的阻抗特性，一般在低頻時阻抗很小，當信號頻率升高時，磁環(huán)表現(xiàn)的阻抗急劇升高，在EMC工程設計中，磁環(huán)作用顯著而被廣泛適用。

二、磁環(huán)的工作原理


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圖4：磁環(huán)等效電路

如圖4所示，磁環(huán)在應用中的等效電路。L為等效電感，R為線纜的等效直流阻抗，C為繞線之間產(chǎn)生的分布電容，這個分布電容要特別注意，它會降低高頻濾波性能。

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圖5：磁環(huán)的阻抗曲線

如圖5所示，磁環(huán)在未飽和的情況下，信號頻率越高，其對應的阻抗越高，當頻率超過諧振點時，阻抗會呈現(xiàn)下降趨勢。

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圖6：EMC整改常用的扣式磁環(huán)

扣式磁環(huán)與鐵氧體的最大區(qū)別在于它具有很大的損耗，用這種扣式磁環(huán)制作的電感，其特性更接近電阻。它是一個電阻值隨著頻率增加而增加的電阻，當高頻信號通過鐵氧體磁環(huán)時，電磁能量以熱的形式耗散掉。

三、磁環(huán)的分類


1、鐵氧體磁環(huán)

一般錳鋅環(huán)涂綠色；鐵氧體磁環(huán)主要包括鎳鋅鐵氧體磁環(huán)和錳鋅鐵氧體磁環(huán)。

按磁導率可分為兩類：一是，鎳鋅鐵氧體磁導率在100-1000之間，被稱為低導磁環(huán)；二是，錳鋅鐵氧體磁環(huán)材料的磁導率一般在1000以上，被稱為高導磁環(huán)。

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圖7：錳鋅鐵氧體高導率磁環(huán)

鎳鋅鐵氧體磁環(huán)一般用于各種線材，電路板端，電腦設備中抗干擾。

錳鋅鐵氧體磁環(huán)，磁導率很大，這種磁環(huán)，通常用來繞制共模電感，抑制電源接口低頻共模傳導干擾。

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圖8：共模電感

一般共模電感抑制頻段在500K-30M之間，濾波頻段要比鐵粉芯差模電感高。

通常情況下，材料磁導率越低，適用的頻率范圍越寬；材料磁導率越高，適用的頻率范圍越窄。

2、鐵粉芯磁環(huán)

鐵粉芯環(huán)用兩色來區(qū)分材質(zhì)，常用有-2（紅/透明）、-8（黃/紅）、-18（綠/紅）、-26（黃/白）以及-52（綠/藍）。
    
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圖9：鐵粉芯磁環(huán)

鐵粉芯磁環(huán)是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構成，磁導率很低。磁粉和絕緣材料之間有氣隙，一般磁導率在20-100之間。正因為鐵粉芯磁環(huán)磁導率很低，在差模大電流情況下不容易飽和，所以常使用鐵粉芯磁環(huán)繞制差模電感。

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圖10：差模電感

鐵粉芯差模電感，濾波頻段很低，幾十幾百 KHz，抑制電源線傳導差模干擾。

鐵粉芯主要應用于電器回路中解決電磁兼容性（EMC）問題。實際應用時，根據(jù)不同波段下對濾波要求不同會添加各種不同的其它物質(zhì)。

3、鐵硅鋁磁環(huán)

鐵硅鋁一般全黑。

鐵硅鋁磁環(huán)是使用率較高的磁環(huán)之一，簡單來說，鐵硅鋁是由鋁-硅-鐵組成，擁有相當高的Bmax（Bmax是在磁芯截面積上的平均最大磁通密度）。它的磁芯損耗遠低于鐵粉芯及高磁通，有低磁致伸縮（低噪音），是低成本的儲能材料，無熱老化，可以用于替代鐵粉芯，在高溫下性能非常穩(wěn)定。

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圖11：鐵硅鋁磁環(huán)

鐵硅鋁最主要的特點是比起鐵粉芯損耗低，具有良好的DC偏流特性。價格不是最高，也不是最低，相較于鐵粉芯和鐵鎳鉬之間。

鐵硅鋁磁粉芯具有優(yōu)異的磁性能，功率損耗小，磁通密度高，在-55C~+125C溫度范圍內(nèi)使用時，具有耐溫、耐濕、抗振等高可靠性；

同時，60~160的寬磁導率范圍可供選擇。是開關電源輸出扼流圈、PFC電感及諧振電感的最佳選擇，具有較高的性價比。

4、非晶磁環(huán)

非晶磁環(huán)是個新產(chǎn)品，目前逐漸在普及。

非晶磁環(huán)，一般白色和黑色居多。它有一個顯著特征:外殼是塑料外殼。所以也很容易判斷，因為非晶磁環(huán)是繞帶的，必須用塑料外殼包裹保護，否則都成碎渣渣了。

相比錳鋅鐵氧體磁環(huán)，非晶磁環(huán)磁導率更高，通常10多K甚至幾百K，磁導率非常大。

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圖12：非晶磁環(huán)

非晶磁環(huán)通常用來繞制共模電感，抑制低頻傳導干擾，相比錳鋅鐵氧體，非晶磁環(huán)雖然貴，但是磁導率大，電感的個頭就可以做的比較小，另外，濾波效果也要比錳鋅好。

據(jù)說可以濾除到幾十MHz，已經(jīng)接近錳鋅鐵氧體磁環(huán)了。所以，現(xiàn)在濾波器里面也在使用非晶磁環(huán)做共模電感了。

四、EMC加磁環(huán)整改技巧


1、外觀選擇“盡量長、盡量厚、內(nèi)徑盡量小”的磁環(huán)。即磁環(huán)越長越好，孔徑和所穿過的電纜結合越緊密越好。但在有直流或交流偏置的情況下，還存在鐵氧體飽和的問題，抑制元件的橫截面積越大，越不易飽和。

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圖13：不同內(nèi)徑大小的磁環(huán)

2、磁環(huán)對電磁波有條件反射的作用，從而減少了信號傳送的失真。磁環(huán)套用的位置盡量靠近源頭的一端（電纜線的進出口），會更加有效的抑制電磁輻射。

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圖14：磁環(huán)套在源端
3、在抑制高頻干擾時，宜選用鎳鋅鐵氧體，抑制低頻干擾時用錳鋅鐵氧體。因為錳鋅鐵氧體的磁導率在幾千至上萬，而鎳鋅鐵氧體為幾百至上千，磁環(huán)鐵氧體的磁導率越高，其低頻時的阻抗越大,高頻時的阻抗越小。

4、如何避免磁環(huán)飽和？當穿過鐵氧體的導線中流過較大的電流時，易造成飽和，降低元件的性能。要避免這樣情況，可將電源的兩根線（正負）同時穿過一個磁環(huán)。

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圖15：電源的兩根線（正負）同時穿過一個磁環(huán)
5、低頻干擾時，建議線纜繞2-3匝，一方面可提高穿過環(huán)的面積，增加等效吸收長度，另一方面充分利用磁環(huán)具有磁滯特點，改善低頻特性。

高頻干擾時，不能繞匝（因為實際磁環(huán)上存在寄生電容，這個寄生電容與電感并聯(lián)，但遇到高頻干擾信號時，這個寄生電容將磁環(huán)的電感短路失去作用），這時可選用長一點的磁環(huán)。

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圖16：磁環(huán)繞匝

6、匝數(shù)繞制小技巧：理論上匝數(shù)越多抑制低頻干擾效果越好，但是，由于寄生電容增加，抑制高頻噪聲作用較弱（盲目增加匝數(shù)來增加衰減量是一個常見的錯誤）。

在實際應用中，需要根據(jù)信號干擾頻率來調(diào)整匝數(shù)。當干擾頻率的頻帶較寬，可在電纜上套兩個磁環(huán)，每個磁環(huán)繞不同的匝數(shù)。這樣不僅可以同時抑制高頻干擾和低頻干擾，也可同時套上鎳鋅和錳鋅鐵氧體，使得抑制的干擾頻段較寬。

7、磁環(huán)易碎，因此在安裝的過程中需要進行良好的固定，避免運輸過程中的碰撞而導致磁環(huán)破裂，我們一般用扎帶固定。

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圖17：扎帶固定（然后將磁環(huán)固定在設備上）

最后，磁環(huán)只是EMC整改中常用的元件，用來查找問題所在，在必要時才使用。盡量在設計時加電容電感，從源頭將干擾消除，什么都不用加最好。


作者：power107

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