1引言
随着电子技术飞速发展，电磁波干扰（EMI）问题越来越引起人们的重视。电磁波干扰（又称噪声）会造成通信障碍、图象畸变、数据错误，从而引起电子设备的误动作。各种电气和电子设备往往是噪声发生源。线性电源向开关电源转变，随着开关频率不断提高，增加了高频谐波干扰；一台计算机内部充满了不要的电磁波，时钟频率达GHz领域的计算机，已成为噪声主要发生源；空间各种无线电杂波，通过天线或传输电缆线、宽带信号接口进入电子设备，并使传输图象发生畸变。不易受外来噪声干扰又不向周围发射噪声已成为各种电子设备必须达到的要求。在这里，抑制EMI的元件是必不可少的。而铁氧体电感元件优良的抗噪声特性，已成为抑制EMI最重要并已获得普遍采用的电磁元件。
噪声传播方式主要有传导和辐射二种。传导噪声往往从电源线、信号线或地线进入，主要有差模型和共模型两种。差模噪声电流与信号电源同相位，且呈现低频特性，通常在几百KHz以下；共模噪声电流与相线、零线同相们，并和大地形成回路，具有高频性，通常在几MHz和30MHz，且共模干扰随频率提高而增大。辐射噪声往往从设备壳体缝隙或传输电缆线向外发射，也可以从电缆线、天线、电源线、信号线或者PCB基板侵入设备，辐射噪声频率往往在30MHz以上，直到GHz频段。必须指出，辐射噪声侵入传输线后也会转为传导噪声。此外，电子设备内部的静电耦合和电磁耦合使噪声扩展。干扰源可能是瞬时的、随机变化（如通信、广播传输），或者是周期性信号（如开关电源）。
前者频谱是连续的，后者呈线状谱；实际二者都是宽频带的，即由基波与高频谐波组成。对于辐射干扰，可采用导体或电磁屏蔽方法予以抑制；对传导干扰则采用吸收、反射或旁路方法抑制。铁氧体磁心及电感元件具有屏蔽、吸收、反射噪声的作用；而且具有宽频带、阻抗——频率曲线可调节等优点，可解决传导干扰、辐射干扰的很多问题，因此几乎可用于抑制EMI的任何方面。例如在导线或传输电缆线上可套上铁氧体磁珠，管形磁心或夹钳型电缆磁心进行屏蔽和抑制传导干扰；在PCB板上可串联磁珠电感器、积层型片式磁珠、SMD抑流圈等元件来抑制干扰；在电源线或信号线输入端，宽带信号或多媒体接口中，可采用铁氧体磁心制成的共模抑流圈抑制EMI。此外，在汽车电子装置或整流马达导线上使用开路磁心电感器械可抑制高频电火花引起的RF干扰。
2铁氧体磁心的阻抗——频率特性
软磁铁氧体材料特征是在低频时呈现低损耗，并有恒定的磁导率；截止频率时磁导率迅速下降，损耗增加，并在铁磁谐振频率损耗达到最大值。当导线穿过铁氧体磁心组成穿心磁珠电感器时，在电路中可看作一个绕组电阻RN。磁心损耗电阻RS和电感LS串联组成。当主要考虑磁心损耗时，可将RN忽略不计。于是在串联等效电路中，复数阻抗包括损耗电阻RS和感抗两部分：
 (1)

式中：
图1示出铁氧体磁穿心磁珠的阻抗——频率关系曲线。看到在低频率时感抗XL呈现最大值，高频时阻抗几乎全部成为电阻性的，此时铁氧体磁心可看作随频率变化的电阻器。利用铁氧体磁心低频的感抗特性，可阻碍（或反射）不希望的干扰杂波；高频时电阻性特征可吸收EMI，转化成热量散射。
铁氧体磁心的阻抗——频率特性与铁氧体材料磁导率和损耗特性有密切关系。在高频时铁氧磁导率呈现复数特性，串联复数磁导率通常由实部（代表感抗）和虚部（代表损耗）组成，可表示为：
 (2)
损耗角正切
而感抗
损耗电阻
则串联阻抗
 (3)
式中：L0是空心电感值
 (4)
C1是磁心有效参数
是磁心有效长度 (m)
Ae是磁心的有效截面积(m2)
N是线圈匝数
阻抗绝对值 (5)
或 (6)
上式可见，铁氧体磁心的阻抗与材料磁导率(μ)有关，而且与磁心几何尺寸（Ae/le）和匝数(N)有关。
图2示出铁氧体材料的复数磁导率——频率关系和阻抗——频率曲线的比较，通常阻抗最高峰出现在铁氧体截止频率fr的附近。因此阻抗峰值频率与磁导率关系符合Snoek定律，即高磁导率材料阻抗峰值频率较低，低磁导率材料阻抗峰值频率较高。图3是荷兰Ferroxcube公司某些MnZn铁氧体材料阻抗峰值频率与磁导率关系，图中各种牌号对应的磁导率值见表1。
图4是部分NiZn系铁氧体材料的阻抗——频率曲线。通常MnZn系铁氧体材料有高的磁导率和低的电阻率。可有效抑制20MHz以下的低频杂波干扰；而NiZn系铁氧体材料有低的磁导率和高的电阻率，在20MHz-1GHz高频对抑制EMI有重要作用。
3磁心尺寸对阻抗特性的影响
抑制EMI的铁氧体磁心通常采用环形或磁珠型磁心。对环形磁心来说，当外径为D，内径为d，高度(厚度)为h时，磁心零件有效参数表示为：

根据公式(3)，得到
 (7)
将公式(7)与公式(5)相结合可见，铁氧体环形电感器的阻抗正比于磁心高度（环形厚度或磁珠长度）及外径/内径比值。两倍长度的磁珠则其阻抗也为两倍，但改变环形磁心外径/内径比值两倍时，阻抗只增加约40%。图5示出磁珠和管形磁心尺寸对阻抗特性影响。对相同材料的磁心，当长度增大时，阻抗Z明显增大了，当采用双孔或多孔磁心来代替单孔磁珠型磁心时，阻抗Z也明显增大了，如图6所示。
4 DC和低频交流偏磁对阻抗的影响
在大的直流或低频交流偏磁作用下，任何磁性材料性能将下降。当大的DC偏磁与交流磁化叠加在一起时，铁氧体材料磁导率将下降。若磁心工作于饱和区域时，磁导率μ趋近于1（接近自由空间），结果铁氧体的阻抗作用猛烈下降，磁心提供很小的噪声衰减作用。图7是片式磁珠DC偏磁对阻抗特性的影响，当DC偏磁从OmA增大到500mA时，阻抗最大值从600Ω下降到400Ω左右，而且阻抗峰值向高频方向移动。
5电缆线上的铁氧体磁心
数字设备的输入/输出电缆线作为一个小天线，将电子设备内部的噪声传导或辐射到设备壳体外，同时接收外来的辐射噪声干扰数字设备动作，如计算机与周边设备的连结电缆、传真机或OA设备的电缆线上部有噪声干扰问题。用环形铁氧体磁心（或套筒形磁心）或扁环形磁心（见图8）套在园形电缆线或扁形电缆线上，可对传导干扰或辐射干扰起有效抑制作用。多股电缆线的特征是同相位的噪声电流沿电缆线以相同方向流动，在磁心内部感应出相同方向的磁场，铁氧体磁心的阻抗作用使噪声能量转换成热量而消散；对于从信号线进入而从地线回程的正常信号由于磁场方向相反而抵消，传输不产生影响（见图9）。
电缆线上的铁氧体磁心通常选择较高磁导率的NiZn系铁氧体材料，可有效地起到屏蔽和抑制传导共模噪声的作用。铁氧体环形磁心的内径应尽可能与电缆线或导线束的外径相密合，可减少漏磁对阻抗的负作用。提高阻抗可增大铁氧体磁心长度。对安装在软电缆线上大质量的铁氧体磁心为防止损坏，可用热塑性树脂包封或用塑料壳保护。如一种夹钳形电缆磁心，是用两个半磁环组合后，外装塑料壳体组成（见图8）。对柔性电缆线也可用大直径环缠绕几匝来提高阻抗。
图10示出增加匝数后环形磁心阻抗增大的情况。但过多的匝数会增加匝间电容，降低高频阻抗，通常对单一零件匝数不超过3匝为好。
6印刷线路板上的铁氧体磁珠
铁氧体磁珠适于中等电平信号的传导通路中使用，主要有铁氧体串心磁珠，积层型片式磁珠和磁珠排。它们串在导线上作滤波元件，或者粘贴在印刷线路板上，起抑制传导噪声和屏蔽辐射噪声等作用。
例如，已经日益普及的个人计算机、游戏机等均需提供色彩鲜明、清新的图象。计算机的数字信号要通过数字——模拟转换器变换成高速模拟信号输出给图象显示器。由于计算机时钟振荡器和电路杂散电容易激起高频噪声，因此常常在时钟振荡器电源输入端应用铁氧体磁珠来抑制EMI；同时为防止不希望的噪声干扰图象，在数字——模拟转换器输出端也常将一个铁氧体磁珠和一个滤波电容相关联，以提供高频噪声滤波。
在计算机的电源部分，整流二极管从导通到关断，在电源输出电路上会感应出大的快速瞬态的电压脉冲或“尖锋”，并形成数倍开关频率的谐波噪声。如果在整流二极管的导线上串接铁氧体磁珠，由于铁氧体磁珠的高阻抗，可减缓二极管电流的变化速度，减少感应的EMI和消除脉冲波形的“振铃”现象。以图11所示，串入铁氧体磁珠后，脉冲波形畸变减少了。
此外，在计算机多路数据输入/输出线上，插入片式磁珠排，可提供4线或8线噪声滤波，这样比单一片式磁珠有更小的安装空间，并节省组装时间。
今后，携带电话、无线LAN使用频率向GHz频段发展。GHz频段的噪声不仅在导线中传播，而且向周围空间发射。新发展的片式铁氧体磁珠，采用特殊的铁氧体材料和螺旋线结构，可实现GHz频段的高阻抗，同时尺寸进一步向微小型化发展，如已出现0603型（0.6*0.3mm）、0402型（0.4*0.2）的微小磁珠。另外，DVD放象/录象机的出现，对图象要求高质量，而光信号受EMI影响会使图象品质恶化，在光传感器部分使用高频铁氧体磁珠也已成为必不可缺少EMI抑制元件。
7电源线上的共模扼流圈
开关电源在各种电子设备中已广泛采用。开关晶体管是最强的噪声发生源；由于开关电压变化产生差模噪声，而电源线与大地形成电容耦合时则产生共模噪声。当测试其合成噪声时发现，低频带（10kHz—数100kHz）噪声成分受差模支配，高频带（数100kHz—50MHz）噪声受共模噪声支配。随着开关频率提高，辐射噪声增强。电源电缆线中差模噪声电流在往复二根线中产生的磁场相互抵消，因此电源电缆线中辐射噪声几乎全部为共模噪声成分。
为抑制EMI，电源线滤波器通常由铁氧体磁心制成的共模扼流圈与CX、CY电容器组成（如图12a所示）。共模扼流圈与两个CY电容器组合，可抑制共模噪声，而CX电容器可实现差模噪声衰减。共模扼流圈是绕在铁氧体环形磁心（或日形等闭合磁路）上两个相同匝数的绕组组成。绕组方向是这样设计的：相同方向的共模噪声电流经相线和零线进入扼流圈时，因磁场叠加产生大的电抗；而从相线输入、经零线输出的差模信号电流，则因大小相等方向相反磁通的相互抵消而不受影响（图12b）。实际当两个线圈绕组匝数有误差时，对差模噪声电流也产生小的阻抗作用。图13是实际生产的共模扼流圈的阻抗——频率曲线，看到在低频呈现大的共模阻抗和小的差模阻抗值。电源线共模扼流圈有插针型和表面贴装型两种。AC电源线常采用插针型，可通过最大电流达30A；DC-DC模块式电源为减小尺寸，通常采用表面贴装型（SMD）的电源线扼流圈，最小尺寸有3225型、4532型，高度为2-3mm，可通过最大电流达10A。主要用于笔记本电脑等薄型电子设备中。图14示出部分SMD共模扼流圈的外形结构。
电源线共模扼流圈的铁氧体磁心，常采用高磁导率MnZn系铁氧体材料，其磁导率通常为5000-15000，在10kHz—30MHz有高的阻抗。前面图3已示出不同磁导率的铁氧体材料，其阻抗最高峰出现在不同的频区。磁导率为10000的3E5材料，阻抗最高峰在1MHz附近；磁导率为2000的3C85材料，阻抗最高峰在10MHz附近；磁导率为900的3β1材料，阻抗最高峰在30-40MHz附近。应根据实际使用要求来选择不同铁氧体材料。磁心形状应采用闭合磁路，以减小漏磁。环形磁心应用较普遍，因为有低的价格的漏磁最小，但绕线只能采用手工或专用绕组机；日字型磁心最近得到广泛采用，因为可用骨架绕组，提高生产效率；且两组线圈之间可用隔板分开，改善了绝缘特性。表面贴装型电源扼流圈，可采用工、环型组合磁心。
8信号线上的共模扼流圈
信号线共模扼流圈通常采用表面贴装型（SMD），品种很多，主要有绕线型和薄膜型两类。一般信号的共模噪声抑制可采用绕线型SMD共模扼流圈。近年来，随宽带接入技术发展，数字用户线（XDSL）接口中常需用这类SMD共模扼流圈，可阻碍噪声通过以保证无畸变地传输宽带数字信号。在调制解调器（Modem）、电话线分离器中也得到采用。
随着汽车电子发展，车载局域网（CAN）在高级轿车中得到采用。由于CAN导入可使控制系统的电线束数量和重量大幅度减少。CAN的传送电缆是使用绞扭线，用所谓“差动传差”方式进行高速数据传送。考虑到车载电子设备中IC和振荡回路元件成为噪声发生源，以及电缆线较长时，信号传送过程中会产生位相误差和振幅不同产生不平衡成分，电缆线作为“天线”还会接收或发射噪声，因此必须在电缆组结点处插入共模滤波器作为噪声抑制元件。考虑到汽车动作过程严酷的环境条件，SMD共模扼流圈能经受-40℃-+150℃温度，并在振动条件下工作，因此必须采用温度特性好的铁氧体磁心制成结构可靠的绕线型共模扼流圈。
关于薄膜型SMD共模扼流圈，具有小型、轻量，电极间距小等优点，更适合高密度组装的小型、薄型、便携化的电子设备抑制共模噪声要求。作为计算机与其周边设备、数码相机等均使用高速差动传输接口，如IEEE1394、USB2.0等，对于传送400Mbps、重复频率为200MHz的脉冲波，如果仅使用阻抗为200Ω（100MHz）的铁氧体磁珠，不能期待完全阻止噪声；如果插入阻抗为200Ω（100MHz）的共模滤波器，则对噪声抑制效果大，而对高速差动信号无影响。图15示出在高速差动信号传输路线上插入共模扼流圈的效果模拟图。对共模滤波器要测定其共模阻抗和差模阻抗值。适当的共模阻抗值对差动信号几乎无影响，但共模阻抗过大也会引起高速信号波形畸变；差模阻抗应尽可能小，否则会引起信号波型畸变或衰减，发生动作误并。如对传送400Mbps信号，共模阻抗值应在160Ω-200Ω（100MHz），差模阻抗应在15Ω以下（100MHz）。
随着数字电视开始发送和使用，用于数字电视、DVD等数字式AV机器相互连接的是高品位多媒体接口（HDMI）。HDMI可将高清晰度视象信号和多通道的音频信号非压缩性的高品质传送，为防止信号畸变，共模噪声滤波器是必不可少的。由于HDMI最大数据传送速度是USB2.0的三倍以上，对共模滤波器增加了高频特性要求。图16示出经过改进的共模滤波器（虚线所示），高速差动信号可无畸变传送（插入损耗小于3αβ）频段已扩大到6GHz。

参考文献
[1]Ferroxcube “Application Note”2002.7
[2]steward Technical Information “Use of Ferrites”
[3]TDK Science Box 2005.1
[4]中村晃“TDK Technical Report”2003.3
[5]TDK Techno Magazine vol.13.2004