噪声对策指南

静噪效果的基础 【第8讲】 铁氧体磁芯

<不改变电路板也能使用的静噪元器件>

一直以来,为大家介绍的都是安装于电路板上电路中的静噪元器件,本次将介绍无需安装在电路板上的静噪元器倍受瞩目件(虽然也有固定于电路板上的......)
在电子设备商品化之际,如之前介绍的,需要确认设备产生的噪声是否满足EMI法规,但必须在完成设备的设计之后才能做最终确认。最近,有关无噪声干扰设计的技术有了一定积累,并对无噪声干扰做了诸多的研究。但结果还是要待最终确认后才能揭晓。如果噪声控制在噪声限值范围内就没有问题,但经确认,也经常会出现超过噪声限值范围的情况。在交货期紧迫的情况下,又没有时间变更电路板,像铁氧体磁芯这种无需变更电路板的元器件就非常适用了。

<铁氧体磁芯是铁氧体的精髓>

铁氧体磁芯是铁氧体(这里所使用的铁氧体被称为软磁铁氧体)是陶瓷磁性体被加工为各种形状的产品。以往生产线圈时,大多是用导线卷绕在环状的铁氧体上当做磁芯使用的,因此用于静噪的产品也同样被称为铁氧体磁芯。
铁氧体因其结构,可分为Mn-Zn类和Ni-Zn类。Mn-Zn类具有导电性,因此需要绝缘加工;而Ni-Zn类具有优良的高频特性,因此经常将Ni-Zn类的铁氧体用作静噪产品。

<铁氧体磁芯静噪原理>

铁氧体磁芯虽然形状各异,但大多都是环形。导线穿过该环形孔,导线和铁氧体磁芯构成了线圈(电感)。由于该线圈(电感)与电子元器件的电感原理是相同的,所以如图1所示频率越高电感值就越高。因此可以作为阻止高频电流的低通滤波器来使用,从而降低高频噪声。同时,使用铁氧体磁芯可以获得另一种效果。如果电流通过由铁氧体磁芯构成的电感,铁氧体磁芯上会产生磁通量,电流能量就会转变为磁能。但随着电流的变化该磁通量再次因电磁感应而转换为电流。此时,磁通量的能量并没有全部转回电流能量,有一部分作为磁损耗而消失(称为磁滞损耗)。因此,通过导线的一部分噪声电流作为磁损耗而消耗其能量。图1的右侧显示了导线通过铁氧体磁芯时线圈的阻抗特性。普通线圈的阻抗多为电抗(X)成分,使用铁氧体磁芯时电阻(R)的成分就变得非常多。这是选择了适用于静噪的铁氧体材料的结果,但就铁氧体磁芯作为静噪用,与高阻抗限制电流的效果相比,由磁损耗来消耗噪声能量的效果更为显著。

图1 铁氧体磁芯静噪效果

<铁氧体磁芯的规格和性能>

铁氧体磁芯的静噪性能会因铁氧体的材料和形状而变化。
导磁率因铁氧体的材料而异,因此阻抗也不同。另外,阻抗的电阻成分和电抗成分的比率也因材料而异。但是,作为静噪用出售的铁氧体磁芯材料是专门针对静噪效果而研制的,因此不论选择什么样的材料,在特性上也不会存在很大差异。

图2 不同的铁氧体材料在性能上的差异

导线通过环状磁芯的次数(圈数)增加时,电感就增加(圈数乘2的比例),因此阻抗也增加。但导线绕2圈以上时,绕线开始处(入口)和绕线结束处(出口)接近,其间具有杂散电容,高频噪声会经过该杂散电容,从而降低了高频性能。因此,对降低噪声所需频率数的考量,需要设定以下两项内容,即是选择增加圈数重视低频区域,还是减少圈数重视高频区域。

图3 圈数与阻抗的关系

阻抗会随着圈数的增加而增加。但绕2圈以上时,就会因绕线开始处和绕线结束处的接近而降低高频性能。
另外,如图4所示铁氧体磁芯的尺寸会影响其性能。因此,尽可能选择内径小、截面积大的环形磁芯。

图4 铁氧体磁芯的尺寸和性能

<作为共模扼流线圈用的铁氧体磁芯>

铁氧体磁芯因其使用方便,常通过电缆被广泛使用。但该电缆与接口电缆和电源电缆等数根电缆并行布线,常会产生共模噪声问题。在这种情况下,共模扼流线圈对静噪是有效的,可以将电缆集中通过一个铁氧体磁芯,作为共模扼流圈发挥功效。在通过单端布线数根信号线接口电缆的情况下,共模扼流线圈难以布线。但如使用铁氧体磁芯,就可以通过集中电缆穿过铁氧体磁芯的方式,简单地实现共模扼流线圈的功能。

图5 作为共模扼流圈发挥功效的铁氧体磁芯

<形状各异的铁氧体磁芯>

以上为大家介绍了环状铁氧体磁芯,此外,还有其他形状各异的铁氧体磁芯也逐渐商品化了。有配合扁平型电缆和FPC(柔性电路板)形状的宽幅薄型成形产品,可以不通过电缆,也能使用的分割组装型磁芯产品等等。另外还有非环状的、平面状产品。这是贴于IC等有电磁波辐射的地方,利用铁氧体的磁损耗来降低通过这里的电磁波吸收效果。

图6形状各异的铁氧体磁芯

承办:村田制作所 元器件事业本部 销售推进部 三屋 康宏

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