两种特别值得善用的EMC对策材料

Introduction of Ferrite bead & absorbing sticky- material

中检集团南方电子产品测试（深圳）有限公司　李思雄　

Shenzhen electronic product quality testing center  lisixiong

摘 要　本文推荐两种在EMC设计及EMC对策中实用的EMC对策器件和材料－串接使用的铁氧体磁珠和粘贴使用的复合型磁性吸波薄膜，它们在某些场合起着不可替代的作用。　

关键词 　EMC　　铁氧体磁珠　　吸波薄膜　

Abstract 　 This article Introduces two sorts of useful EMC component －Ferrite bead & absorbing sticky- material. Sometimes they are so important that can not be replaced.

Keywords   EMC　　Ferrite bead 　　absorbing sticky- material 　

１、前言

 1.1EMC是产品本身的质量要求，也是大多数国家和地区的法规强制要求。

    在大多数国家和地区，对各类电子产品的电磁兼容性能要求越来越严格，国际标准CISPR22/EN55022/CNS13438（以及即将修订换版的GB9254）强化了EMC要求，产品内部信号源之最高频率>1GHz，辐射测试必须达至5倍频或6GHz，可择其频率较小者。解决电磁兼容问题、贯彻EMC标准 是产品本身的质量要求，也是大多数国家和地区的法规强制要求。　

1.2产品的不断发展增加了EMC问题、对EMC设计及化解EMC问题提出了更高要求。

    电子信息及通信产品，朝着数字化、高频化、多功能、轻薄短小、可移动方向蓬勃发展；机电器件工作频率提高，脉冲信号上升沿/下降沿往往也变得陡峭而呈现出标准方波倾向，这些快速跳变信号包含了更多谐波，无疑更容易产生无用谐波的辐射和耦合，电磁噪声进一步往高频延伸；轻薄短小的便携式设计、高密度组装的SMT和MCM电路，使电子元器件间的距离大大缩小，引脚间距和布线间距已缩小到毫米级或毫米级以下；如一部手机内要组装约600多个电子元器件，包括IC和微型机电部件；紧凑的回路设计既增加电磁噪声产生之机率，又使EMC对策施展空间大大减小；高频化、紧凑化设计都会直接增加解决EMC问题的难度，因而对EMC设计及化解EMC问题提出了更高要求。　

 1.3产品的发展促进EMC对策组件的新发展

    根据电磁感应、趋肤效应、电磁振荡与电磁波传播等基本物理规律可知，电磁物理量随时间变化越快，越容易产生电磁骚扰；信号频率越高越容易产生辐射；电磁场强度与距离平方成反比等等。可见，工作频率提高，更加陡峭的脉冲跳变信号、以及高密度组装，大大增添了实现EMC的复杂性；数字化、高频化、多功能、轻薄短小、可移动的产品发展方向，迫使各类电子产品中必须使用大量的EMC对策器件；这就为 EMC对策器件产业开拓了广阔的市场空间，促进了EMC对策组件、单个器件也朝着微小型化 、阵列化、高频化 、复合化和多功能化的趋势发展，同时也促进了EMC对策新材料和新组件的研究和开发应用。

    以下特别介绍两种在EMC设计及EMC对策中扮演重要角色、非常实用、效果很好的EMC对策器件和材料－串接使用的铁氧体磁珠和粘贴使用的复合型磁性薄膜，它们在某些场合起着不可替代的作用。

2、两种特别值得推荐使用的EMC对策材料

    电磁干扰必须包含三个要素，即电磁干扰源、电磁干扰传递途径（传导、辐射、耦合）、及接受电磁干扰的响应者。在电路中恰当串接使用铁氧体磁珠，可以有效吸收高频能量从而减弱电磁干扰源、同时起到减小对外骚扰辐射的作用。

2.1 铁氧体磁珠

    铁氧体抑制器件、组件被广泛应用于印制电路板、电源线和数据线以及输出输入端口，它们可以有效吸收高频或脉冲骚扰信号。

    在EMC设计或对策中，确定并消除EMI噪声源是第一要务，如能在器件级特别是IC和电路模组就考虑、就着手消除可能的EMI噪声源，那是最理想的。但目前情况看，除了大的IC设计制造厂商做出的CPU较好以外，很多IC和电路模块都缺乏超前的EMC设计或考虑，最常见的就是各种AC/DC、DC/DC电源模组缺乏EMC设计。即使器件级EMC设计和EMC工艺处理很到位，由于要实现预定功能做成产品，不可避免还要与各种元器件和模块组装在同一个电路板上，又会产生新的EMI噪声源。所以，消除EMI噪声源，几乎都在板级进行，使用铁氧体磁珠是最有效的办法。　

2.1.1铁氧体磁珠简介：

    铁氧体对直流、低频电流几乎没有什么阻抗，而对较高频率的电流会产生较大衰减作用，高频电流在其中以热量形式散发。磁珠有很高的电阻率和磁导率，其等效电路为一个电感和一个电阻串联，但电阻值和电感值都随频率变化；高频时，在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗，从而提高消耗高频能量效果。

    磁珠是目前大量应用的一种EMC对策元件，廉价、易用，吸收高频噪声效果显着。磁珠种类多，主要技术指标参数有三项：对100MHz频率信号阻抗；直流电阻；额定电流。选用时要特别关注其阻抗与频率关系的曲线。

2.1.2原理简介：

    磁珠的主要原料为铁氧体。铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。铁氧体材料为铁镁合金或铁镍合金，它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似，颜色为灰黑色。这种材料的特点是高频损耗非常大，具有很高的导磁率，最重要的性能参数为导磁率μ和饱和磁通密度Bs。导磁率μ可以表示为复数，实数部分构成电感，虚数部分代表损耗，随着频率的增加而增加。因此，它的等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路，L和R都是频率的函数。

    当导线穿过这种铁氧体磁芯时，所构成的电感阻抗在形式上是随着频率的升高而增加，但在不同频率其机理不同。在高频段，阻抗由电阻成分构成，随着频率升高，磁芯的磁导率降低，导致电感的电感量减小，感抗成分减小 但是，这时磁芯的损耗增加，电阻成分增加，导致总的阻抗增加，当高频信号通过铁氧体时，电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。 

2.1.3应用技术：
    磁珠的电路符号就是电感，但型号上可以看出是磁珠。磁珠吸收所在线路上传导的高频骚扰信号，但却不会在系统中产生新的零极点而破坏系统稳定。

    磁珠可依用途要求制成各种形状，可以做得很小。表面贴装磁珠的好处在于小的封装尺寸和能够满足实际空间的要求。如表面贴装在直流传输电路中的片式磁珠，扮演高频衰减器的角色，允许直流信号通过，而衰减高频信号、吸收叠加在直流上的无用的射频噪声成分。

    磁珠主要用于消除高频骚扰、抑制差模噪声等。磁珠与电源滤波器配合使用，可很好的补充滤波器高频端性能的不足，改善滤波效果。直流传输电路中串接磁珠，需要考虑额定电流要大于实际传输的最大电流；直流电阻的压降应不影响工作电压稳定性及其对电压裕量的要求；（查看阻抗与频率关系的曲线）使意在消除的频段和100MHz频率信号对应阻抗较大即可。

    数字电路中，由于脉冲信号含有频率较高的高次谐波，是电路高频辐射的

    主要根源，所以磁珠可发挥较好的作用。信号线串接磁珠，一般选择（查看阻抗与频率关系的曲线）意在消除的频段和100MHz频率信号对应阻抗较大者。

2.1.4安装位置：

    磁珠主要通过吸收传导中的射频能量而抑制电磁辐射干扰和抗干扰。实际应用中， 磁珠多用于直流供电回路和信号回路，多安装在PCB板靠近干扰源的地方、靠近DC/DC模块、数码处理芯片的地方和传输线两端。

    具体如电脑DC电源线上、CPU高速数据总线、高速数据线及其接口，传真机时钟线和数据总线、传感器端口、CPU振荡器输出线，手机RF和IF放大器输出端，蓝牙模块基带和射频电路，DVD视盘机时钟线、图像压缩编码器与同步随机动态存贮器和图像IC之间以及音频信号和视频信号输出线上，大多数PLL电路，含超高频存储器电路（DDR,SDRAM,RAMBUS等），均大量采用磁珠；在模拟地和数字地结合的地方也经常采用磁珠隔离。

2.2贴的EMC对策材料——解决EMC的新技术

    在橡胶或受热可塑性树脂中，填加高软磁性粒子制成复合型薄膜，主要是与导电性屏蔽材料同时使用，用来消除金属狭缝天线作用及金属空腔共振作用之噪声。一般复合型磁性薄膜其厚度为0.25mm～2.0mm，适用频率0.1GHz～20GHz。

    电子信息产品向高频化趋势十分明显，计算机的时钟频率高至GHz，手机、蓝牙及WLAN无线传输的频率已经达到1.8GHz、2.4 GHz 、5.8GHz；因而由高次谐波引起的噪声也相应出现在更高的频率范围，使得使用新产品----复合型磁性薄膜变得更加重要。

2.2.1传统技术

    EMC传统对策中，要消除EMI噪声源，主要有三种方法：（1）屏蔽（EHIELDING）；（2）滤波（FILTING）；（3）吸收（ABSORBING）。实际运用上，滤波（FILTING）适用于200MHz以下传导噪声；在电路设计工程、制造工程中，对辐射骚扰问题，当无法使用磁珠吸收、或采取措施后尚未能完全凑效时，最后均是采用噪声源外罩局部或外壳里面喷涂导电漆、或使用导电机壳等屏蔽材料来进行整改。

    采用屏蔽办法进行EMC整改，在EMI达到GHz以后，将产生两个新问题：

（1）天线效应：理论上，如果使用导体将EMI噪声源完全包住不留任何缝隙的话，EMI不会被泄放出去；但实际上不可能做到，无论如何总会留下一点缝隙，导电横截面会形成线状天线，导电屏蔽材料的间隙将形成狭缝天线，与该狭缝天线共振频率一致或倍频的频率，将被释放出去或被导入内部。

（2）金属空腔共振效应：电磁波在被包住的导电机壳内部产生共振，而入射导电表面的电磁波产生相位变化及同时蓄积的大量多种特定频率的电磁波能量，只要极小的间隙即会辐射出去。

2.2.2新技术

（1）消除天线效应：在导电机壳或金属机壳的间隙和周围四边，贴附适当频率的吸波材料消除表面电流。

（2）消除金属空腔共振效应：在导电机壳或金属机壳的内壁、EMI噪声源附近贴附适当面积的对应频率之吸波材料。

（3）消除EMI超高频噪声：在IC芯片、排线或其它EMI噪声源表面贴覆适当面积的对应频率之吸波材料，从而大幅降低IC芯片、排线或其它EMI噪声源的辐射强度。

2.2.3原理简介

原理：R. L:＝－101og(Pr/Pi)

         R. L: 反射衰减量    

         Pr:电磁波反射强度       Pi: 电磁波入射强度

特点：可依环境情况采用不同弹性体，并可依用途要求制成指定形状。

2.2.4应用领域：

Ⅰ、消除金属盒内EMI噪声源；

Ⅱ、调整天线波型，有效提高SAR的测试合格率；

Ⅲ、消除雷达波、微波EMC问题；

Ⅳ、减小军事目标雷达扫描的有效面积；

(文章发表在《电子质量》　2009年第四期)