雜訊抑制濾波器指南

抗噪對策基礎 [第 8 課] 鐵氧體磁芯

07/13/2012

<無需更換電路板即可使用的抗噪零件>

先前，我們介紹了作為電子電路一部分、安裝在電路板上的抗噪零件。這次則要介紹無需安裝在電路板上的抗噪零件。（雖然有時也會固定在電路板上……）
如先前所述，在將電子裝置商品化時，必須確認該裝置所發出的雜訊是否符合 EMI 規範。然而，在裝置設計完成之前，無法進行最終檢查。近年來，關於「不產生雜訊」的設計經驗日益豐富，各界也預先採取了各種措施來防止雜訊產生，但當然，在最終測試之前無法得知其效果。只要此時雜訊水準如預期般在規範值範圍內，便無大礙；但有時測試結果會超出規範值。當交貨日期臨近時，已無時間修改電路板，此時能不需變更電路板即可實施對策的元件（例如鐵氧體芯）便派上用場。

<鐵氧體磁芯就是一塊塊的鐵氧體>

鐵氧體磁芯是一種由鐵氧體（軟鐵氧體）加工成各種形狀的陶瓷磁體。過去，線圈通常是將導線纏繞在環狀鐵氧體磁芯上製成的，因此用於抗干擾的鐵氧體也稱為鐵氧體磁芯。

根據成分不同，鐵氧體可分為錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體。錳鋅鐵氧體具有導電性，因此需要進行絕緣處理；而鎳鋅鐵氧體則具備更佳的高頻特性。基於這些及其他原因，鎳鋅鐵氧體常被用於抗干擾措施。

<鐵氧體磁芯消除雜訊的原理>

鐵氧體磁芯有各種形狀，但大多數呈環狀。將導線穿過環狀磁芯的孔洞後，導線與鐵氧體磁芯便形成了一個線圈（電感器）。此線圈（電感器）的運作原理與電子元件中的電感器相同，因此如圖 1 所示，其阻抗會隨頻率增加而上升。因此，該線圈可作為低通濾波器，阻隔高頻電流，從而達到衰減高頻雜訊的效果。此外，使用鐵氧體芯還能帶來額外效果。當電流流經由鐵氧體芯組成的電感器時，鐵氧體芯內會產生磁通，並將電流能量轉換為磁能。然而，當電流變化時，此磁通會透過電磁感應再次轉換回電流。此時，並非所有的磁通能量都會轉化回電流能量，其中一部分會以磁損的形式損失。（這稱為「磁滯損耗」。）結果，流經導線的部分雜訊電流會以磁損的形式損失，從而降低其能量。圖 1 的右側顯示了導線穿過鐵氧體磁芯的線圈之阻抗特性。普通線圈的阻抗主要由電抗（X）分量構成，但當使用鐵氧體磁芯時，電阻（R）分量會變得極大。這是由於選用適合抗噪措施的鐵氧體材料所致，因此，相較於高阻抗所產生的電流限制效果，因磁損而導致的噪聲能量消耗效應，在鐵氧體芯的抗噪效果中所佔的比例更大。

<鐵氧體磁芯的規格與性能>

鐵氧體磁芯的除噪性能會因鐵氧體材料及形狀而異。由於磁導率會隨鐵氧體材料而變化，因此阻抗也會有所不同。此外，阻抗中電阻分量與電抗分量之間的比例也會因材料而異。然而，市面上作為抗噪措施銷售的鐵氧體磁芯材料，皆是專為抗噪目的而特別調配的，因此無論選用何種材料，其特性皆無顯著差異。

隨著導線穿過環形鐵芯的次數（即匝數）增加，電感值也會隨之增加（與匝數的平方成正比）。然而，當導線纏繞在鐵芯上時，線圈起點（入口）與線圈終點（出口）會相互靠近，兩者之間會產生浮動電容。高頻雜訊會透過這個浮動電容區域傳導，這正是導致高頻性能下降的因素之一。因此，考量到雜訊抑制的目標頻率，必須增加匝數以針對低頻範圍，或者減少匝數以針對高頻範圍。

此外，如圖 4 所示，鐵氧體磁芯的尺寸會影響其性能。因此，應選擇內徑最小且截面積盡可能寬的環形磁芯。

<將鐵氧體磁芯用作共模扼流圈>

由於其便利性，鐵氧體磁芯常被應用於纜線中。然而，此類纜線包含介面纜線、電源纜線以及其他多條並行佈置的導線，因此共模雜訊往往成為一個問題。在此類情況下，共模扼流圈是有效的抗噪措施，且只需將電纜共同穿過單一鐵氧體磁芯，即可實現共模扼流圈的功能。舉例來說，若介面纜線有多條訊號線接至單一端點，要佈線安裝共模扼流圈便相當困難。然而，只要將所有介面纜線一同穿過一個鐵氧體芯，便能輕鬆實現共模扼流圈的功能。

<各種鐵氧體磁芯形狀>

迄今為止，我們已介紹了環狀鐵氧體磁芯，但其他各種形狀的鐵氧體磁芯也已商品化。其中包括與扁平纜線及柔性印刷電路板（FPC）形狀相匹配的寬薄型磁芯，以及可組裝在纜線周圍的分體式磁芯，藉此省去將纜線穿過磁芯的工序。此外，市場上亦提供非環狀的簡易板狀磁芯。這些板狀磁芯安裝於積體電路（IC）及其他會發出電磁波的位置，藉由鐵氧體的磁損耗來減弱穿過板狀磁芯的電磁波，從而達到吸收無線電波的效果。