EMC整改神器磁环知识大全（Magnet Ring）

 

磁环是一块环状的导磁体，是用于抑制电磁干扰的磁性元件，常用于各种电子设备中。它通常是由铁氧体、钕铁硼等磁性材料制成，具有高磁导率、高饱和磁通密度、低成本等优点。

图1：常用磁环

 

一、磁环的工作原理磁环

能量传递的原理：

磁环的工作原理可以从电磁感应和电磁能量传递两个方面来解释。首先，当通过磁环的线圈中通入电流时，会在磁环周围产生一个磁场，磁场的大小和方向由安培环路定理来决定，即磁场的大小与线圈中的电流成正比。

 

当通过磁环线圈中的电流发生变化时，磁场也会随之变化，根据法拉第电磁感应定律，磁场的变化会在磁环中产生感应电动势，这个感应电动势的大小由磁场变化的速率决定，即磁场变化越快，感应电动势越大。

 

磁环的工作原理是通过磁场的变化和磁场与电流之间的相互作用，来实现电磁感应和能量传递。它在电子领域中具有重要的应用价值。

 

磁环抑制噪声的原理：

 

磁环在不同的频率下有不同的阻抗特性，一般在低频时阻抗很小，当信号频率升高时磁环阻抗很大，使得高频噪声干扰的能量在穿过磁性材料时，转换成热量散发出去，从而阻碍高频噪声干扰的传递。

 

二、磁环的电路等效模型

图2：磁环的电路等效模型

 

其中R为导线损耗的等效电阻、L为磁环的实际电感值，C是磁环绕线之间的等效电容，磁环绕线后的电路等效模型类似电感。

 

磁环的阻抗频率曲线：

图3：磁环的阻抗曲线

 

磁环在未饱和的情况下，随着频率升高，其对应的阻抗越高，当频率超过谐振点时，阻抗会呈现下降趋势。

 

三、磁环的磁芯

 

磁环是由磁芯+塑料外壳或者绝缘漆组成的。磁芯是为增加电磁体的磁感应强度，塑料外壳或绝缘磁漆是保护磁芯、防潮、增强绝缘。

 

磁环按使用的磁芯分类主要有铁氧体磁环、铁粉芯磁环、铁硅铝磁环、非晶磁环。

 

铁氧体磁环：

图4：铁氧体磁环

 

铁氧体是一种利用高导磁性材料渗合其它一种或多种镁、锌、镍等金属在2000℃高温烧聚而成。在低频段，磁芯呈现出非常低的感性阻抗值，不会影响数据线或信号线上有用信号的传输。而在高频段，从10MHz左右开始，阻抗增大，其感抗成分仍保持很小，电阻分量却迅速增加，构成低通滤波器。

 

铁氧体磁环主要包括镍锌铁氧体和锰锌铁氧体磁环，按磁导率分低导磁环、高导磁环。锰锌铁氧体磁环材料的磁导率一般在1000以上，被称为高导磁环。

 

锰锌铁氧体磁环，磁导率很大，通常用来绕制共模电感，抑制电源端口低频共模传导干扰。   

图5：锰锌铁氧体共模电感

 

镍锌铁氧体磁导率在100-1000之间，被称为低导磁环。一般用于电源线、HDMI线材、USB线材等各种线材。 

图6：镍锌铁氧体磁环及应用

 

铁粉芯磁环：

铁粉芯磁环是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成，磁导率很低。磁粉和绝缘材料之间有气隙，一般磁导率在20-100之间。正因为铁粉芯磁环磁导率很低，在差模大电流情况下不容易饱和，所以常使用铁粉芯磁环绕制差模电感。

铁粉芯环用两色来区分材质，常用有-2（线/透明）、-8（黄/红）、-18（绿/红）、-26（黄/白）及-52（绿蓝）。铁粉芯滤波频段很低，主要用于抑制电源线传导差模干扰。 

图7：铁粉芯磁环及应用

 

铁硅铝磁环：

铁硅铝磁环是使用率较高的磁环之一，铁硅铝是由铝、硅、铁组成，拥有相当高的BMAX(是在磁芯截面积上的平均最大磁通密度)，它的磁芯损耗远低于铁粉芯，高磁通、低磁滞伸缩（低噪音），是低成本的储能材料、无热老化，可以用于替代铁粉芯，在高温下性能非常稳定。

 

铁硅铝最主要的特点是比铁粉芯损耗低，具有良好的DC偏流特性，价格介于铁粉芯与铁镍之间。铁硅铝磁粉芯具有优异的磁性能、功耗小、磁通密度高、具有耐高温、耐湿、抗振等高可靠性。

 

宽磁导率范围可供选择，是开关电源输出共模电感、PFC电感、谐振电感的最佳选择，具有较高的性价比，铁硅铝一般是全黑。 

图8：铁硅铝磁环及应用

 

非晶磁环：

非晶磁环是一种由非晶态材料制成的磁性环形结构器件，通常由具有高磁导率的金属合金制成。这是一种特殊类型的材料，具有独特的磁性和导电性质，它与传统的晶态磁性材料相比，具有更高的饱和磁感应强度、更低的磁滞损耗以及更宽的频率响应范围。   

图9：非晶磁环

 

根据非晶磁环所使用的材质不同，可分为铁基非晶、钴基非晶等，根据使用材料形状可分为礴材型磁环和粉末型磁环。

 

非晶合金也称为金属玻璃，是指由多种金属组成的一种结构特殊、成分复杂的非晶态材料。在制造非晶磁环时，将不同金属的粉末在真空下熔化，以均匀的方式混合，再快速冷却，形成非晶态的合金材料，最后将非晶态合金材料制成具有特定形状、长、宽、材料等尺寸的磁环或磁条。

 

非晶磁环一般是黑色和白色居多，外壳通常是塑料的，相比铁氧体材料，磁导率更高，非晶磁环通常用来绕制共模电感，抑制低频传导共模干扰。

图10：非晶三相共模电感 

图11：非晶共模电感

 

四、影响磁环滤波效果的因素

 

绕线匝数的影响：

一般磁环的规格书上面都会给出匝数的频率阻抗曲线，如下图所示：

 

图12：匝数的频率阻抗曲线

 

由图可知，相同磁环不同绕线匝数时阻抗差异非常大，如果磁环规格书没有给出曲线，也可以通过下面的公式简单计算：

其中N为绕线的匝数，µr是磁环的磁导率，µ0是初始磁导率，A是磁环的截面积，r是外圈到中心的半径。

磁导率的影响：

图13：磁导率频率曲线

 

【注意要点】：选择磁环时应根据需要抑制的噪声干扰频点，选择对应磁导率比较高。

 

居里温度曲线的影响：

图13：磁环居里温度曲线

 

居里温度是让磁环内部的磁畴解体的温度，从上图可以看出磁导率随着温度的升高而逐渐达到一个高点，当温度再升高时磁导率开始急剧下降，下降到磁导率变为1时，磁环便没有磁性，不同的磁环居里温度点不同，尤其使用在高温环境下的磁环，更要关注居里温度影响，保证磁环良好的滤波性能。

 

通流大小的影响:

图14：电流频率阻抗曲线

磁环内部磁畴的分布情况，当磁环没有磁场时磁畴的分布是一个无序的状态，而施加磁场时磁畴变成一个有序的状态，那么电流增大时磁场强度也随之增强，这样磁畴的排列更加的紧凑，有序的磁畴更加的多，通过的磁感线就变得越密集，磁环阻抗就随之增大。

 

气隙的影响:

图15：频率特性阻抗曲线

 

由图可以看出夹扣式磁环随着频率的不断增加阻抗接近直线上升的趋势，到达1GHz以上阻抗还是增大状态，而Micro扁平磁环随着频率的增加会达到一个最高点，频率再增加时阻抗会下降，尤其是1GHz以上频率，因此要抑制高频噪声可以选夹扣式的磁环。

 

五、磁环的选型与应用

 

磁环的选型：

应根据需要抑制的频率段，来选择磁环的材质；再根据线径的粗细选择合适内径尺寸的磁环，在相同材质的情况下，需要确定磁环的长度。

 

磁环材质的选择：

用于线缆滤波的磁环，使用的材质主要有锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、非晶磁环。根据噪声频率选择对应材质的磁环：非晶磁环抑制频段最低达KHz，锰锌铁氧体抑制频段通常在MHz以上，镍锌铁氧体抑制频段达到百MHz以上。

 

【重要知识点】：铁氧体磁环的磁导率越高，其低频时的阻抗越大，高频时的阻抗越小。

 

磁环尺寸的选择：

磁环的尺寸也是选型过程中需要重点关注，一般来说磁环的直径和长度需要根据线缆直径的尺寸和空间大小进行选择，还要考虑磁环的安装方式和固定位置等因素。在外观上选择“尽量长、尽量厚、内径尽量小”的磁环，即磁环越长越好，孔径和所穿过的电缆结合越紧密越好。

 

【重要知识点】：在有直流或交流偏置的情况下，磁环存在饱和问题，横截面积越大，越不易饱和。   

图16：夹扣式磁环     

图17：环形磁环

 

磁环的应用场景：磁环被广泛应用于VGA线缆、AV线缆等高频模拟信号

图18：磁环在信号线缆噪声抑制的应用

 

【应用说明】磁环应用于高频VGA线缆，高速HDMI线缆、USB线缆等噪声干扰的抑制。

图19：磁环在电源线滤波的应用

 

【应用说明】磁环应用于AC电源线，DC电源线的共模干扰的抑制。磁环的应用注意事项：磁环滤波效果除受磁环本身的选型影响，还受到磁环的安装位置、绕线圈数、绕线的方式等影响，磁环是易碎品，使用时需注意防护。磁环安装位置：

图20：磁环靠近端口处放置

 

磁环对部分噪声频点具有反射的作用，从而抑制了噪声频点通过线缆向外耦合的路径，磁环安装时应尽量靠近源头（线缆的进出口），才能达到最佳的滤波效果。

 

磁环绕匝的注意事项：

图20：磁环在AC电源线噪声抑制的应用（绕线5匝）

 

理论上磁环绕的匝数越多抑制效果越好，实际上寄生电容也随着匝数的增加而增加，寄生电容降低了磁环的高频抑制效果。磁环用于抑制低频干扰，建议绕2-3匝，利用感量来抑制噪声干扰；磁环用于抑制高频干扰，磁环尽可能的不绕线，直接将磁环卡在线缆上，可选用长度较长的磁环。

图21：磁环在DVI线缆噪声抑制的应用（磁环卡在线缆）

 

【磁环绕匝的注意事项说明】：

对于信号线缆噪声滤波，磁环通常不绕匝，选用磁环内径与线缆直径稳合的，磁环的长度较长的抑制效果更好。对于电源线噪声滤波，磁环通常绕2-5匝，通常滤波效果较好，磁环选用壁厚的效果要优于壁薄的。

 

用于3Pin（L/N+PE地线） AC电源滤波时，应根据噪声频点选择L、N线单独绕磁环、PE地线单独绕磁环、L、N线+PE地线一起绕磁环的方式。抑制150KHz-30MHz频段是L、N线单独绕磁环的方式，且磁环材质优选非晶磁环，次选锰锌铁氧体磁环；抑制150KHz-30MHz频段有时选择PE地线单独绕磁环的方式，根据干扰频点设定绕制圈数。

 

对于30MHz以上的频点通常采用L、N线单独绕磁环，磁环材质优选锰锌铁氧体，一般是绕线2-3匝即可，特殊情况需要在PE地线绕磁环2-3圈。

图22：磁环在PE地线噪声抑制的应用

 

磁环的固定：

磁环是易碎物品，因此在安装过程中需要进行良好的固定，避免运输过程中的碰撞原而导致磁环破裂，可以采用扎带固定磁环、螺钉固定、磁环套固定、套管固定等方式。

图23：磁环套固定磁环

 

六、磁性材料基础理论知识

 

磁导率：

磁导率是表征磁介质磁性的物理量，表示在空间或在磁芯空间中的线圈流过电流后，产生磁通的阻力、或者是其在磁场中导通磁力线的能力，其公式如下：

其中H是磁场强度、B是磁感应强度，磁导率常用来表示，为介质的磁导率，或称为绝对磁导率。

 

通常使用的是磁介质的相对磁导率µr,其定义为磁导率μ与真空磁导率µ0之比：

初始磁导率

 

是指基本磁化曲线妥H→0时的磁导率：

磁导率的测量

磁导率的测量是间接测量，测出磁芯片绕组线圈的电感量，再用公式计算出磁芯材料的磁导率，磁导率的测试仪器就是电感测试仪。

L是电感量、D是磁芯的磁路长度、A是磁芯的横截面积，µ0是真空磁导率，N为线圈的匝数。

 

磁化曲线和磁滞回线：

铁磁材料具有独特的磁化性质，在一块未磁化的铁磁材料的外面密绕线圈，流过线圈的磁化电流从零逐渐增大时，铁磁材料的磁感应强度B是沿起始磁化曲线随线圈的磁场强度H变化的，当H增大到最大值后，继续减小到1，然后恢复到初始0值时，称B按照这个变化过程所描绘的曲线为磁滞回线。

 

磁滞回线表示磁场强度周期性变化时，强磁性物质磁滞现象的闭合磁化曲线。基本磁化曲线是对磁感应强度最大值取不同的数值，就得到一系列的磁滞回线，连接这些回线顶点的曲线叫基本磁化曲线。

图24：几种铁磁性物质的磁化曲

 

线磁滞回线具有结构灵敏的性质，很容易受各种因素的影响。磁滞回线的产生则是由于技术磁化中的不可逆过程引起的，磁滞回线反映了铁磁质的磁化性能，它说明铁磁质的磁化是比较复杂的。

图25：铁磁质超始磁化曲线和磁滞曲线

 

不同的磁化质有不同形状的磁滞回线，不同形状的磁滞回线有不同的应用。磁滞回线为选材提供了依据，B-H磁滞回线所围面积与磁滞损耗成正比，在交流电中磁滞损耗会铁芯发热而损耗电能，应想办示减小磁滞损耗。

图26：不同铁磁材料的磁滞回线

 

来源：风陵渡口话EMC

关键词： EMC 磁环