基于磁珠的电子设备辐射抑制机理与应用

2020-02-02张孙虎崔明玉

电子技术与软件工程 2020年16期

张孙虎崔明玉

（1.国家城市轨道交通建设工程产品质量监督检验中心江苏省南京市 210046）（2.国防科技大学信息通信学院湖北省武汉市 430010）

在复杂的混合信号系统中，隔离不同电路块之间的电源噪声非常关键。由于不同电路块的电压摆幅变化以及每个电路对电源噪声的敏感性，隔离数字和射频设备至关重要。与射频信号相比，数字设备可能具有相对较大的电压摆幅，但集成的射频设备可能具有非常小的电压。当由相同的电源电压供电时，在数字设备的电源节点处产生的电磁干扰噪声可以耦合到射频系统。

对于设备中的集成电路模块，铁氧体磁珠是用于干扰抑制的常用保护器件。如图1所示，与电感器相比，铁氧体磁珠具有较宽频带的滤波特性。另外，铁氧体磁珠在高频下呈电阻性，因此，它们可以将高频干扰作为热量消散。由于铁氧体磁珠的上述特性，其在辐射抑制中常常扮演较为重要的角色。本文从辐射发射生成机理入手分析磁珠的辐射抑制机理，并通过具体案例验证该措施的有效性。

1 铁氧体磁珠的基本特性

铁氧体磁珠的一般结构如图2所示，它是由镀层、端电极、内导线线圈和铁氧体材料组成。磁珠两端的电极是由银、镍和焊锡三层构成。

如图2（b）所示，磁珠结构为由金属丝线圈及其周围的铁氧体的磁介质。当无磁性介质填充时，设该金属导线的线圈电感为L0，当线圈周围充满了磁导率为μ 的铁氧体之后，先不考虑寄生电容，其阻抗为：

上式中，R0是流过铁氧体磁珠的损耗，ω 是角频率，ω=2πf。

磁环的磁导率可以表示为复数

式中，实数部分μ'构成磁环的电感；虚数部分μ''构成磁珠阻抗。

将式（2）带入式（1）得

上式中，R 为等效电阻，XL为等效感抗。由于μ’、μ’’均为与频率相关的函数，所以|Z|、R、XL也都是关于频率的函数，如图3所示：在低频段时，阻抗|Z|、R、XL随频率f 上升；当到达一定频率时，阻抗趋于饱和，逐渐达到最大值，随后磁珠阻抗随频率f 的增大而减小；而XL值会逐渐降为零。

2 磁珠辐射抑制机理分析

2.1 电子设备的辐射生成机理

辐射电磁干扰也分共模辐射和差模辐射。共模辐射是因电路中不需要的压降引起的，这种压降使得设备中某些电路器件及与之相连的系统线缆与“真正”的地之间形成一个共模电位差。共模辐射可以等效于电偶极子天线的辐射效应差模辐射是由电路中传送电流的导线形成的环路引起的，差模辐射等效于磁偶极子天线的辐射效应。

图1：铁氧体磁珠与电感的阻抗特性对比

图2：铁氧体磁珠

图3：铁氧体磁珠阻抗特性示意图

图4：共模辐射等效电路

在远场区，考虑接地板全反射情况，则辐射源的共模辐射噪声ECM可表示为[8]：

式中，ICM为共模辐射源等效天线中的噪声电流，L 为等效天线长度，r 为有向测试距离，f 为噪声源的频率。

图5：磁珠的SPICE 模型

图6：磁珠的辐射抑制仿真电路

图7：电路辐射结果

图8：磁珠的辐射抑制效果

取垂直于测试天线轴线的方向，则差模辐射噪声EDM可表示为[9]：

式中，IDM为差模辐射源等效天线中的噪声电流，S 为等效环路天线面积，r 为有向测试距离，f 为噪声源的频率。

2.2 磁珠的辐射抑制机理

从式（5）中可以得出：共模辐射噪声与测试距离r 成反比，和电缆的长度L，共模电流的频率f 以及共模电流强度I 成正比。图4是共模辐射噪声模型的等效电路图，图中ICM是共模辐射的电流，ZCM是线路的等效阻抗，VCM是共模辐射的电压。

由图4，减小共模辐射噪声的措施有：减小共模电流I，降低信号频率f 或减小辐射电路导线长度L，由于噪声频率不能被预测和控制，并且系统的天线长度不能轻易改变，而共模电流ICM可以通过抑制器件改变，因此减小共模辐射噪声最基本的方法是限制共模电流。

当线路中串联磁珠时，磁珠的阻抗会加到上式中ZCM上，结合式（4）和图 3 可知，磁珠阻抗是随频率的变化而变化的，低频时，设备工作电流正常通过，频率增大时，ZCM增大使得共模辐射电流ICM减小，从而共模辐射噪声被抑制。因此，磁珠在不影响设备工作的同时同样能起到一定的辐射电磁干扰抑制效果。与电阻相比，磁珠不影响设备正常工作；与电感相比，磁珠中的磁性材料能将干扰噪声转化为热能消耗掉，而电感实质上是一种储能元件，没有将电磁干扰噪声转化为热能消耗掉，抑制效果不如磁珠。因此，采用减小噪声电流减小共模辐射需要在电路中添加铁氧体磁珠。

差模辐射同理，从式（5）可以得到如下结论：差模辐射电场强度EDM与环路面积A、差模电流IDM和频率f 的平方成正比关系，而反比于测试距离 r，由于很难改变电路中的环路面积、噪声的频率或测试距离，因此改变噪声电流 IDM是最容易的方案。通过磁珠阻抗降低噪声电流强度可以减小差模辐射强度。