磁環在EMC中的妙用

作者： 金耀光，來源： 韜略科技EMC微信公眾號

前言

在電子產品的設計中，電磁兼容EMC性能對系統的影響非常大，關系到其能正常穩定運轉。很多國家現在已經開始對電子產品的電磁兼容性做強制性限制，電磁兼容性能已經成為產品性能的一個重要指標。

電磁兼容主要有兩方面的內容，一個是產品本身對外界產生不良的電磁干擾影響，稱為電磁干擾發射EMI；另一個是對外界電磁信號的敏感程度稱為電磁敏感度EMS。干擾源、耦合途徑及敏感設備是電磁兼容的三要素，缺一不可。在整改過程中我們有時候經常采用到磁環來排查問題，但是使用過程中我們不知道哪些細節會影響使用的效果。

磁環的作用

圖1 USB接口信號傳輸

上面圖1是USB接口信號傳輸的等效電路，假設信號傳輸過程中存在兩種噪聲，綠色信號的走向是共模噪聲，藍色信號走向是差模噪聲。因此在整改過程中我們將磁環繞在USB信號線上來抑制噪聲，并對比前后的效果。

圖2 繞磁環等效電路

上面圖2是繞磁環等效電路，電路上的ZF是繞磁環后在電路上的等效阻抗，Z0是信號源的內阻，ZB是負載，那么我們可以根據下面的公式計算出磁環的插入損耗，這樣就可以選出合適的磁環來降低噪聲滿足實驗限值的要求。

圖3 插入損耗計算公式

影響磁環抑制噪聲效果的因素

1. 繞線的匝數

一般磁環的規格書上面都會給出這樣的匝數的頻率阻抗曲線，從圖4可以看出當線繞一匝時100MHz對應下的阻抗大約110Ω，而當線繞到兩匝時可以看出100MHz對應的阻抗大約390Ω，而且兩匝的整個曲線都偏上，因此在整改過程中繞的匝數也是比較關鍵的，不然加上磁環達不到我們想要的效果。

圖 4 不同匝數的頻率特性阻抗曲線

那么當規格書上面沒有這樣的曲線時，我們可以根據以下的公式進行計算，當磁環上繞了線之后我們可以將其等效成一個電感，其中N為繞線的匝數，μr是磁環的磁導率，μ0是初磁導率，A是磁環的截面積，r是外圈到中心的半徑，因此根據公式可以計算出我們想要的磁環參數。

圖 5 磁環感量的計算公式

2. 磁導率

圖 6 磁導率

由上圖6可以看出磁導率是分為虛部和實部兩部分，紅色的曲線是實際的磁導率，黑色的實線是磁導率的實部，黑色虛線是磁導率的虛部。當頻率達到上GHz時，磁導率的值幾乎降低到零了，所以當選擇磁環時要考慮到超標頻率對應磁導率的變化。

3.居里溫度

圖 7居里溫度曲線

簡單來說，這居里溫度是讓磁環內部的磁疇解體的溫度，可以從圖7看出磁導率隨著溫度的升高逐漸達到一個高點，該高點對應的溫度是120℃，當溫度再升高時磁導率開始急劇下降，下降到磁導率變為1時，該磁環沒有了磁性。不同的磁環有不一樣的居里點，因此當使用磁環在高溫環境下時，我們要考慮磁環的居里溫度的影響，這樣保證磁環的有效性。

4. 通流大小

圖 8 磁環內部磁疇的分布圖

圖 9 電流頻率阻抗曲線

圖8是磁環內部磁疇的分布情況，當磁環沒有磁場時磁疇的分布是一個無序的狀態，而施加磁場時磁疇變成一個有序的狀態，那么電流增大時磁場強度也隨之增強，這樣磁疇的排列就更加的緊湊，有序的磁疇更加的多，通過的磁感線就變得越密集，所以磁環的阻抗就隨之增大。由圖9的電流阻抗曲線可以看出，磁環的初始磁導率為750H/m時，在低頻情況下電流由0安逐漸增加到5安，阻抗的差異會比較明顯，到高頻時電流變化時阻抗變化不大。

5. 氣隙

圖 10 頻率特性阻抗曲線

如圖10可以看出一款氣隙0.8mm的夾扣式磁環隨著頻率的不斷增加阻抗接近直線上升的趨勢，到達上1GHz了阻抗還是增大狀態。而micro扁平磁環隨著頻率的增加會達到一個最高點，頻率再增加時阻抗會下降，尤其是頻率達到1GHz的時候。因此在我們想要抑制高頻的噪聲時可以選擇夾扣式的磁環進行抑制噪聲。

POC電感參數對比和測試

總的來說，對于磁環的使用一般會在消費類產品上看見，由于外接這種磁環外觀不是很好看，所以很多產品都會取消采用其他的濾波方式去抑制噪聲，如共模電感、差模濾波器等，但是對于磁環的使用，我們可以在整改過程中用來排查問題，這樣比較有效、快速的鎖定噪聲傳播路徑，因此使用磁環時可以參考以上的幾點影響因素，可以規避一些額外的影響。

審核編輯 黃宇