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抗EMI铁氧体材料及其元器件的应用


 来源:四川省电子学会应用磁学专委会秘书长张光明    上传时间:2014-08-04   访问量:25224   最近访问时间:2018-04-23   

   抗EMI铁氧体材料及其元器件的应用
四川省电子学会应用磁学专委会秘书长张光明
    电磁干扰(EMI)系指电子设备不需要的电磁或噪声信号对需要的电磁信号的干扰。电磁干扰(EMI)对电子系统已构成最大威胁,严重影响了设备性能的提高与发挥,还对公共环境和人类的人身安全以及军事保密、国防安全造成了很大的危害。形成电磁干扰的主要因素是干扰源、传播途径和受扰设备三大方面。所以,抗电磁干扰的技术也根据这三大因素进行开发。
    目前抑制干扰的几种措施基本上都是采用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道,基本方法就是屏蔽、接地和滤波。而滤波技术是目前抑止电磁干扰最常见、最有效、也是最经济的一种手段。因为运用滤波技术的方法非常简单,只要在电气设备电源线或信号线的入口处插入抗EMI滤波器,或在有源和无源电子元器件的引线上套上一些很小的管形或环形的软磁铁氧体磁心,即可以把通过电源线传导的电磁干扰信号给予抑制;这种方法是利用了软磁铁氧体材料的电磁损耗机理既简便又有效地消除了传导和辐射的电磁噪声。
    采用抗EMI铁氧体材料制作的各种磁心或滤波器件目前已经广泛应用于通信、音视设备、办公电子设备、汽车电子系统、信号电缆等许多电子相关领域。由于抗EMI软磁铁氧体材料既能抑制电气设备内部产生的电磁噪声,又抑制能外界电网传入的电磁干扰,因此,抗EMI软磁铁氧体材料及其元器件技术发展相当迅速,品种越来越繁多,同时,其应用领域也在不断的开拓。
    国际电工委员会(IEC)成立了世界上最早的国际性干扰组织CISPR。这一组织到相继研究、开发、制定和控制电磁干扰的标准,这些标准涉及到工业、医疗设备、架空电力线、机动车辆、家用电器、照明设备、广播接收设信息技术设备等广泛领域。目前强制性的电磁兼容标准(EMC)已经在世界范围内严格执行。
    我国抗EMI材料研究开发起步较晚,始于80年代。主要在软磁铁氧体材料和器件方面进行了大量的研究。
    现在国内市场上抗EMI材料、抗EMI元件、抗EMI滤波器已有大量商品。而对用磁性和陶瓷材料制备的复合材料作为新型的抗电磁干扰材料,国内外都已有了一定的理论探讨,国内电子科技大学校长四川省电子学会理事长李言荣院士及张怀武首批长江学者应用磁学专委会主任学科带头人领导下的微固学院也巳开发出复合双性材料。
    我国已于2002年明确制定了产品的强制性认证体系并在2003年8月1日开始实施。它是产品准许其出厂销售、进口和使用的证明标记。首批实施强制性产品认证的产品包括了各个门类的电子电气产品。
    软磁铁氧体是由一种立方晶格结构的亚铁磁性材料作成的磁性元件。这种材料的特点是高频损耗非常大。 
    软磁铁氧体材料在抗EMI中的应用,主要是软磁铁氧体材料的磁导率(μi)和饱和磁感应强度(Bs)这两个最重要的磁性参数在起作用。
    软磁铁氧体属于磁介质型吸波材料, MnZn铁氧体抗EMI材料主要用于低频,NiZn铁氧体EMI抑制材料主要用于高频,相应的抗EMI磁心相当于低通滤波器,能较好地解决电源线、信号线和连接器的高频干扰抑制问题。EMI吸收磁环/磁珠的吸收干扰能力是用其阻抗特性来表征的。在低频段呈现非常低的感性阻抗值,不影响数据线或信号线上有用信号的传输。在高频段,约为0MHz左右开始,阻抗增大,其感抗成分保持很小,电阻性分量却迅速增加,将高频段EMI干扰能量以热能形式吸收耗散。
    抗EMI软磁铁氧体材料制作的信号线滤波器、电源线滤波器、EMI抑制器等各种滤波器件可广泛应用于通信、音视设备、办公电子设备、汽车电子系统、信号电缆等许多电子相关领域。抗EMI软磁铁氧体元器件的种类很多,滤波是压缩干扰频谱的基本手段。抗EMI滤波器是EMC技术的基础元器件之一,功能独特,种类繁多。如:铁氧体磁珠电感器,H形、T形、L形电路噪声滤波器,双孔、多孔、磁棒、磁管等不平衡变压器、扼流圈,电缆屏蔽用磁环等。
    在电源的出口和PCB电源线的入口设置铁氧体抑制元件,即可抑制电源与PCB之间高频干扰的传输,也可抑制PCB之间高频噪音的相互干扰。 
    在电源线上的铁氧体抑制元件,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的十线)与回线(AC的中线,DC的地线)同时穿入一个磁管。这样可避免饱和,但这种方法只抑制共模噪音。
    铁氧体磁珠可用在驱动电路与键盘之间,将高频噪音抑制。由于键盘的工作频率在1MHZ左右.数据可以几乎无损耗地通过铁氧体磁珠。
    偏平电缆也可用专用的软磁铁氧体抑制元件,将噪音抑制在其辐射之前。
    静电干扰属高频段的干扰(1-2ns, 500MHZ以上),铁氧体可缓变电压(电流)幅度。
    用高磁导率NiCuZn铁氧体材料制成的射频宽带器件,主要功能是在宽频带范围内实现射频信号的能量传递和阻抗变换,因而对于功率合成、功率分解、频率合成、信号编码、极性变换、网络匹配以及改善放大器的无耗反馈都起着十分重要的作用。
    采用高磁导率的NiCuZn铁氧体材料制备的共模扼流圈,不仅有利于器件的小型化,而且也能起到比MnZn系材料更好的干扰抑制.
    无绳和可视化电话机采用抗干扰电磁兼容的高磁导率和低功率损耗软磁铁氧体功率材料和元件使其具有高清晰通话质量、有效防止窃听、抗干扰、通话范围大、功耗低、环保低辐射等优势。无线寻呼的磁性天线,手机高频段的防寄生振荡、混频器、耦合线圈以及片式电感等都采用了抗EMI软磁铁氧体材料。
    随着无线网络技术的发展,云端服务器市场需求日益增加。云端服务器电源也用到抗电磁干扰的锰锌高导磁率铁氧体材料. 
    在新能源汽车中,电子电路容易受电磁波噪声的干扰,采用EMC磁心是最好的对策。汽车导航系统被认为是汽车的“大脑”,并且在日益计算机化,用软磁铁氧体材料制成的DC-AC逆变器,DC-DC变换器,EMC噪声滤波器在汽车导航系统中得到充分应用。
    EMC滤波电感是光伏逆变器中的主要磁性元件之一。在太阳光伏发电站逆变器主电路中,输入和输出端都应当接抗共模和差模干扰滤波电路,其中滤波电感器参照抗电磁干扰标准设计。
    在风电产业电能转换过程中的变频器、转换器以及抗电磁干扰器件等都大量需要软磁铁氧体材料。
    由于电磁波对各类电器的干扰造成环境电磁污染,国内外已经把绿色环保提到首位工作,禁止无电磁兼容和抗电磁干扰的电器出售,因此抗电磁干扰的铁氧体抑制元件被大量应用。
    全球数字摄录像机、数字照相机、数字录音机以及其它自动像机和音像设备发展很快。这些数码产品集液晶显示、磁记录和图像处理一身,因此需要体积小,抗噪声干扰好的磁性元件,极大多数采用贴片元件。 
    微波暗室主要用于雷达或通信天线、导弹、飞机、飞船、卫星等特性阻抗和耦合度的测量、宇航员用背肩式天线方向图的测量以及宇宙飞船的安装、测试和调整等,高磁导率NiCuZn铁氧体材料可以直接用于低频段微波暗室材料的制备,如果将其与某些非磁性物质进行适当的复合,可将中心吸波频率从几十MHz到数个GHz这一很宽的频段内进行调整。由高磁导率NiCuZn铁氧体材料及铁氧体吸收材料制作微波暗室的材料,这既可消除外界杂波干扰和提高测量精度与效率(室内可全天候工作),还可保守秘密。目前的家用电器普遍存在电磁辐射问题,通过合理使用铁氧体吸收材料及其元器件也可有效地加以抑制。
 
  
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