基于磁珠的電子設備輻射抑制機理與應用

張孫虎 崔明玉

（1.國家城市軌道交通建設工程產品質量監督檢驗中心 江蘇省南京市 210046）（2.國防科技大學信息通信學院 湖北省武漢市 430010）

在復雜的混合信號系統中，隔離不同電路塊之間的電源噪聲非常關鍵。由于不同電路塊的電壓擺幅變化以及每個電路對電源噪聲的敏感性，隔離數字和射頻設備至關重要。與射頻信號相比，數字設備可能具有相對較大的電壓擺幅，但集成的射頻設備可能具有非常小的電壓。當由相同的電源電壓供電時，在數字設備的電源節點處產生的電磁干擾噪聲可以耦合到射頻系統。

對于設備中的集成電路模塊，鐵氧體磁珠是用于干擾抑制的常用保護器件。如圖1所示，與電感器相比，鐵氧體磁珠具有較寬頻帶的濾波特性。另外，鐵氧體磁珠在高頻下呈電阻性，因此，它們可以將高頻干擾作為熱量消散。由于鐵氧體磁珠的上述特性，其在輻射抑制中常常扮演較為重要的角色。本文從輻射發射生成機理入手分析磁珠的輻射抑制機理，并通過具體案例驗證該措施的有效性。

1 鐵氧體磁珠的基本特性

鐵氧體磁珠的一般結構如圖2所示，它是由鍍層、端電極、內導線線圈和鐵氧體材料組成。磁珠兩端的電極是由銀、鎳和焊錫三層構成。

如圖2（b）所示，磁珠結構為由金屬絲線圈及其周圍的鐵氧體的磁介質。當無磁性介質填充時，設該金屬導線的線圈電感為L0，當線圈周圍充滿了磁導率為μ 的鐵氧體之后，先不考慮寄生電容，其阻抗為：

上式中，R0是流過鐵氧體磁珠的損耗，ω 是角頻率，ω=2πf。

磁環的磁導率可以表示為復數

式中，實數部分μ'構成磁環的電感；虛數部分μ''構成磁珠阻抗。

將式（2）帶入式（1）得

上式中，R 為等效電阻，XL為等效感抗。由于μ’、μ’’均為與頻率相關的函數，所以|Z|、R、XL也都是關于頻率的函數，如圖3所示：在低頻段時，阻抗|Z|、R、XL隨頻率f 上升；當到達一定頻率時，阻抗趨于飽和，逐漸達到最大值，隨后磁珠阻抗隨頻率f 的增大而減小；而XL值會逐漸降為零。

2 磁珠輻射抑制機理分析

2.1 電子設備的輻射生成機理

輻射電磁干擾也分共模輻射和差模輻射。共模輻射是因電路中不需要的壓降引起的，這種壓降使得設備中某些電路器件及與之相連的系統線纜與“真正”的地之間形成一個共模電位差。共模輻射可以等效于電偶極子天線的輻射效應差模輻射是由電路中傳送電流的導線形成的環路引起的，差模輻射等效于磁偶極子天線的輻射效應。

圖1：鐵氧體磁珠與電感的阻抗特性對比

圖2：鐵氧體磁珠

圖3：鐵氧體磁珠阻抗特性示意圖

圖4：共模輻射等效電路

在遠場區，考慮接地板全反射情況，則輻射源的共模輻射噪聲ECM可表示為[8]：

式中，ICM為共模輻射源等效天線中的噪聲電流，L 為等效天線長度，r 為有向測試距離，f 為噪聲源的頻率。

圖5：磁珠的SPICE 模型

圖6：磁珠的輻射抑制仿真電路

圖7：電路輻射結果

圖8：磁珠的輻射抑制效果

取垂直于測試天線軸線的方向，則差模輻射噪聲EDM可表示為[9]：

式中，IDM為差模輻射源等效天線中的噪聲電流，S 為等效環路天線面積，r 為有向測試距離，f 為噪聲源的頻率。

2.2 磁珠的輻射抑制機理

從式（5）中可以得出：共模輻射噪聲與測試距離r 成反比，和電纜的長度L，共模電流的頻率f 以及共模電流強度I 成正比。圖4是共模輻射噪聲模型的等效電路圖，圖中ICM是共模輻射的電流，ZCM是線路的等效阻抗，VCM是共模輻射的電壓。

由圖4，減小共模輻射噪聲的措施有：減小共模電流I，降低信號頻率f 或減小輻射電路導線長度L，由于噪聲頻率不能被預測和控制，并且系統的天線長度不能輕易改變，而共模電流ICM可以通過抑制器件改變，因此減小共模輻射噪聲最基本的方法是限制共模電流。

當線路中串聯磁珠時，磁珠的阻抗會加到上式中ZCM上，結合式（4）和圖 3 可知，磁珠阻抗是隨頻率的變化而變化的，低頻時，設備工作電流正常通過，頻率增大時，ZCM增大使得共模輻射電流ICM減小，從而共模輻射噪聲被抑制。因此，磁珠在不影響設備工作的同時同樣能起到一定的輻射電磁干擾抑制效果。與電阻相比，磁珠不影響設備正常工作；與電感相比，磁珠中的磁性材料能將干擾噪聲轉化為熱能消耗掉，而電感實質上是一種儲能元件，沒有將電磁干擾噪聲轉化為熱能消耗掉，抑制效果不如磁珠。因此，采用減小噪聲電流減小共模輻射需要在電路中添加鐵氧體磁珠。

差模輻射同理，從式（5）可以得到如下結論：差模輻射電場強度EDM與環路面積A、差模電流IDM和頻率f 的平方成正比關系，而反比于測試距離 r，由于很難改變電路中的環路面積、噪聲的頻率或測試距離，因此改變噪聲電流 IDM是最容易的方案。通過磁珠阻抗降低噪聲電流強度可以減小差模輻射強度。

3 基于磁珠的輻射抑制仿真分析

3.1 鐵氧體磁珠的SPICE模型

鐵氧體磁珠的SPICE 模型如圖5所示。RDC是磁珠的引腳阻抗或封裝阻抗,R0,L0和 C0是磁珠的等效參數。因為RDC的值非常小在這里可以忽略不計，而R0,L0和 C0可以在磁珠器件的數據表中找到。

3.2 磁珠的輻射抑制仿真分析

為證明磁珠具有較好的輻射抑制特性搭建如圖6所示的仿真電路進行仿真分析，并進一步通過式（4）和（5）計算該電路加磁珠前后的輻射強度進行對比。以方波電壓作為激勵源，串聯電流表以測量電流1Ω 電阻作為電路負載。

輻射噪聲的主要研究頻段為 30MHz-1GHz，因此，本文選擇的仿真頻率是30MHz-1GHz。將圖6中的電路圖在 PSIM 中提取的噪聲電流分別帶入式（4）和式（5）在 MA TLAB 中仿真計算，可以得到共模電場輻射噪聲與差模電場輻射噪聲的圖像。

設其共模的天線長度L 為3cm，差模的環路面積為25cm2，令測試距離r 是3m。按照上述方法，圖 6（a）簡單輻射電路仿真得出的共模輻射噪聲頻譜圖以及差模噪聲輻射頻譜圖分別如圖7(a)和圖7(b)所示。

下面利用 BLM21AG601SN1型磁珠對電路輻射噪聲進行抑制。圖 6（b）是在電路中串入磁珠的等效電路圖，將在PSIM 仿真中提取的高頻噪聲電流分別帶入式 （4）和式 （5）在MATLAB 中計算，求出其差模電場輻射噪聲、共模電場輻射噪聲和磁場噪聲的大小，磁珠的輻射抑制效果圖如圖9所示。

圖9：輻射發射初測結果

圖10：控制板整改部位

圖11：整改前后測試結果對比

圖8中紅色的輻射噪聲頻譜為該電路加磁珠前的輻射電場強度，藍色為加磁珠后的輻射電場強度，輻射強度顯著降低，可見磁珠具有較好的輻射抑制性能。

4 磁珠的輻射抑制在電子設備中的應用

為驗證磁珠對電子設備中輻射噪聲抑制的有效性，現以某產品的控制板為例，在標準EN55022 Class A 標測試環境下的初測結果如圖9所示。

可以看出，產品在幾個頻段內的輻射發射嚴重超標。其中，70～150 MHz 頻段內，出現了寬帶輻射發射超標的現象。

經近場探頭定位，70Mhz-150Mhz 頻點超標為控制板SV01-459391P 的CPU 部分發射導致。整改措施如下：

（1）CPU 芯片經磁珠濾波后供電；

（2）晶振經磁珠濾波后供電；

（3）CPU 增加屏蔽殼。

整改措施如圖10所示。

控制板增加措施后，頻點70MHz-150MHz 改善比較明顯，測試結果如圖11所示。

由上述整改結果可見鐵氧磁珠有效的抑制了EUT的輻射噪聲，具有非常好的輻射抑制特性。

5 總結

本文研究鐵氧體磁珠的在電子設備的輻射抑制中的應用，闡述了電子設備的輻射生成機理和鐵氧體磁珠的基本特性。然后通過理論推導與仿真相結合的方法分析了鐵氧體磁珠的輻射抑制原理。最后通過某產品的整改實例，對比經過磁珠處理前后的輻射噪聲強度標注測試結果，證明了磁珠具有非常良好的輻射抑制特性。