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磁環(huán)是一塊環(huán)狀的導磁體，是用于抑制電磁干擾的磁性元件，常用于各種電子設備中。它通常是由鐵氧體、釹鐵硼等磁性材料制成，具有高磁導率、高飽和磁通密度、低成本等優(yōu)點。

一、磁環(huán)的工作原理

磁環(huán)能量傳遞的原理：

磁環(huán)的工作原理可以從電磁感應和電磁能量傳遞兩個方面來解釋。首先，當通過磁環(huán)的線圈中通入電流時，會在磁環(huán)周圍產(chǎn)生一個磁場，磁場的大小和方向由安培環(huán)路定理來決定，即磁場的大小與線圈中的電流成正比。

當通過磁環(huán)線圈中的電流發(fā)生變化時，磁場也會隨之變化，根據(jù)法拉第電磁感應定律，磁場的變化會在磁環(huán)中產(chǎn)生感應電動勢，這個感應電動勢的大小由磁場變化的速率決定，即磁場變化越快，感應電動勢越大。

磁環(huán)的工作原理是通過磁場的變化和磁場與電流之間的相互作用，來實現(xiàn)電磁感應和能量傳遞。它在電子領域中具有重要的應用價值。

磁環(huán)抑制噪聲的原理：

磁環(huán)在不同的頻率下有不同的阻抗特性，一般在低頻時阻抗很小，當信號頻率升高時磁環(huán)阻抗很大，使得高頻噪聲干擾的能量在穿過磁性材料時，轉換成熱量散發(fā)出去，從而阻礙高頻噪聲干擾的傳遞。

二、磁環(huán)的電路等效模型

圖2：磁環(huán)的電路等效模型

其中R為導線損耗的等效電阻、L為磁環(huán)的實際電感值，C是磁環(huán)繞線之間的等效電容，磁環(huán)繞線后的電路等效模型類似電感。

磁環(huán)的阻抗頻率曲線：

圖3：磁環(huán)的阻抗曲線

磁環(huán)在未飽和的情況下，隨著頻率升高，其對應的阻抗越高，當頻率超過諧振點時，阻抗會呈現(xiàn)下降趨勢。

三、磁環(huán)的磁芯

磁環(huán)是由磁芯+塑料外殼或者絕緣漆組成的。磁芯是為增加電磁體的磁感應強度，塑料外殼或絕緣磁漆是保護磁芯、防潮、增強絕緣。

磁環(huán)按使用的磁芯分類主要有鐵氧體磁環(huán)、鐵粉芯磁環(huán)、鐵硅鋁磁環(huán)、非晶磁環(huán)。

鐵氧體磁環(huán)：

鐵氧體是一種利用高導磁性材料滲合其它一種或多種鎂、鋅、鎳等金屬在2000℃高溫燒聚而成。在低頻段，磁芯呈現(xiàn)出非常低的感性阻抗值，不會影響數(shù)據(jù)線或信號線上有用信號的傳輸。而在高頻段，從10MHz左右開始，阻抗增大，其感抗成分仍保持很小，電阻分量卻迅速增加，構成低通濾波器。

鐵氧體磁環(huán)主要包括鎳鋅鐵氧體和錳鋅鐵氧體磁環(huán)，按磁導率分低導磁環(huán)、高導磁環(huán)。

錳鋅鐵氧體磁環(huán)材料的磁導率一般在1000以上，被稱為高導磁環(huán)。錳鋅鐵氧體磁環(huán)，磁導率很大，通常用來繞制共模電感，抑制電源端口低頻共模傳導干擾。

鎳鋅鐵氧體磁導率在100-1000之間，被稱為低導磁環(huán)。一般用于電源線、HDMI線材、USB線材等各種線材。

鐵粉芯磁環(huán)：

鐵粉芯磁環(huán)是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構成，磁導率很低。磁粉和絕緣材料之間有氣隙，一般磁導率在20-100之間。正因為鐵粉芯磁環(huán)磁導率很低，在差模大電流情況下不容易飽和，所以常使用鐵粉芯磁環(huán)繞制差模電感。

鐵粉芯環(huán)用兩色來區(qū)分材質(zhì)，常用有-2（線/透明）、-8（黃/紅）、-18（綠/紅）、-26（黃/白）及-52（綠藍）。鐵粉芯濾波頻段很低，主要用于抑制電源線傳導差模干擾。

鐵硅鋁磁環(huán)：

鐵硅鋁磁環(huán)是使用率較高的磁環(huán)之一，鐵硅鋁是由鋁、硅、鐵組成，擁有相當高的BMAX

(是在磁芯截面積上的平均最大磁通密度)，它的磁芯損耗遠低于鐵粉芯，高磁通、低磁滯伸縮（低噪音），是低成本的儲能材料、無熱老化，可以用于替代鐵粉芯，在高溫下性能非常穩(wěn)定。

鐵硅鋁最主要的特點是比鐵粉芯損耗低，具有良好的DC偏流特性，價格介于鐵粉芯與鐵鎳之間。鐵硅鋁磁粉芯具有優(yōu)異的磁性能、功耗小、磁通密度高、具有耐高溫、耐濕、抗振等高可靠性。

寬磁導率范圍可供選擇，是開關電源輸出共模電感、PFC電感、諧振電感的最佳選擇，具有較高的性價比，鐵硅鋁一般是全黑。

非晶磁環(huán)：

非晶磁環(huán)是一種由非晶態(tài)材料制成的磁性環(huán)形結構器件，通常由具有高磁導率的金屬合金制成。這是一種特殊類型的材料，具有獨特的磁性和導電性質(zhì)，它與傳統(tǒng)的晶態(tài)磁性材料相比，具有更高的飽和磁感應強度、更低的磁滯損耗以及更寬的頻率響應范圍。

根據(jù)非晶磁環(huán)所使用的材質(zhì)不同，可分為鐵基非晶、鈷基非晶等，根據(jù)使用材料形狀可分為礴材型磁環(huán)和粉末型磁環(huán)。

非晶合金也稱為金屬玻璃，是指由多種金屬組成的一種結構特殊、成分復雜的非晶態(tài)材料。在制造非晶磁環(huán)時，將不同金屬的粉末在真空下熔化，以均勻的方式混合，再快速冷卻，形成非晶態(tài)的合金材料，最后將非晶態(tài)合金材料制成具有特定形狀、長、寬、材料等尺寸的磁環(huán)或磁條。

非晶磁環(huán)一般是黑色和白色居多，外殼通常是塑料的，相比鐵氧體材料，磁導率更高，非晶磁環(huán)通常用來繞制共模電感，抑制低頻傳導共模干擾。

四、影響磁環(huán)濾波效果的因素

繞線匝數(shù)的影響：

一般磁環(huán)的規(guī)格書上面都會給出匝數(shù)的頻率阻抗曲線，如下圖所示：

圖12：匝數(shù)的頻率阻抗曲線

由圖可知，相同磁環(huán)不同繞線匝數(shù)時阻抗差異非常大，如果磁環(huán)規(guī)格書沒有給出曲線，也可以通過下面的公式簡單計算：

其中N為繞線的匝數(shù)，μr是磁環(huán)的磁導率，μ0是初始磁導率，A是磁環(huán)的截面積，r是外圈到中心的半徑。

磁導率的影響：

圖13：磁導率頻率曲線

【注意要點】：選擇磁環(huán)時應根據(jù)需要抑制的噪聲干擾頻點，選擇對應磁導率比較高。

居里溫度曲線的影響：

圖13：磁環(huán)居里溫度曲線

居里溫度是讓磁環(huán)內(nèi)部的磁疇解體的溫度，從上圖可以看出磁導率隨著溫度的升高而逐漸達到一個高點，當溫度再升高時磁導率開始急劇下降，下降到磁導率變?yōu)?時，磁環(huán)便沒有磁性，不同的磁環(huán)居里溫度點不同，尤其使用在高溫環(huán)境下的磁環(huán)，更要關注居里溫度影響，保證磁環(huán)良好的濾波性能。

通流大小的影響:

圖14：電流頻率阻抗曲線

磁環(huán)內(nèi)部磁疇的分布情況，當磁環(huán)沒有磁場時磁疇的分布是一個無序的狀態(tài)，而施加磁場時磁疇變成一個有序的狀態(tài)，那么電流增大時磁場強度也隨之增強，這樣磁疇的排列更加的緊湊，有序的磁疇更加的多，通過的磁感線就變得越密集，磁環(huán)阻抗就隨之增大。

氣隙的影響:

圖15：頻率特性阻抗曲線

由圖可以看出夾扣式磁環(huán)隨著頻率的不斷增加阻抗接近直線上升的趨勢，到達1GHz以上阻抗還是增大狀態(tài)，而Micro扁平磁環(huán)隨著頻率的增加會達到一個最高點，頻率再增加時阻抗會下降，尤其是1GHz以上頻率，因此要抑制高頻噪聲可以選夾扣式的磁環(huán)。

五、磁環(huán)的選型與應用

磁環(huán)的選型：

應根據(jù)需要抑制的頻率段，來選擇磁環(huán)的材質(zhì)；再根據(jù)線徑的粗細選擇合適內(nèi)徑尺寸的磁環(huán)，在相同材質(zhì)的情況下，需要確定磁環(huán)的長度。

磁環(huán)材質(zhì)的選擇：

用于線纜濾波的磁環(huán)，使用的材質(zhì)主要有錳鋅鐵氧體、鎳鋅鐵氧體、非晶磁環(huán)。根據(jù)噪聲頻率選擇對應材質(zhì)的磁環(huán)：非晶磁環(huán)抑制頻段最低達KHz，錳鋅鐵氧體抑制頻段通常在MHz以上，鎳鋅鐵氧體抑制頻段達到百MHz以上。

【重要知識點】：鐵氧體磁環(huán)的磁導率越高，其低頻時的阻抗越大，高頻時的阻抗越小。

磁環(huán)尺寸的選擇：

磁環(huán)的尺寸也是選型過程中需要重點關注，一般來說磁環(huán)的直徑和長度需要根據(jù)線纜直徑的尺寸和空間大小進行選擇，還要考慮磁環(huán)的安裝方式和固定位置等因素。在外觀上選擇“盡量長、盡量厚、內(nèi)徑盡量小”的磁環(huán)，即磁環(huán)越長越好，孔徑和所穿過的電纜結合越緊密越好。

【重要知識點】：在有直流或交流偏置的情況下，磁環(huán)存在飽和問題，橫截面積越大，越不易飽和。

磁環(huán)的應用場景：

磁環(huán)被廣泛應用于VGA線纜、AV線纜等高頻模擬信號

【應用說明】磁環(huán)應用于高頻VGA線纜，高速HDMI線纜、USB線纜等噪聲干擾的抑制。

【應用說明】磁環(huán)應用于AC電源線，DC電源線的共模干擾的抑制。

磁環(huán)的應用注意事項：

磁環(huán)濾波效果除受磁環(huán)本身的選型影響，還受到磁環(huán)的安裝位置、繞線圈數(shù)、繞線的方式等影響，磁環(huán)是易碎品，使用時需注意防護。

磁環(huán)安裝位置：

磁環(huán)對部分噪聲頻點具有反射的作用，從而抑制了噪聲頻點通過線纜向外耦合的路徑，磁環(huán)安裝時應盡量靠近源頭（線纜的進出口），才能達到最佳的濾波效果。

磁環(huán)繞匝的注意事項：

理論上磁環(huán)繞的匝數(shù)越多抑制效果越好，實際上寄生電容也隨著匝數(shù)的增加而增加，寄生電容降低了磁環(huán)的高頻抑制效果。磁環(huán)用于抑制低頻干擾，建議繞2-3匝，利用感量來抑制噪聲干擾；磁環(huán)用于抑制高頻干擾，磁環(huán)盡可能的不繞線，直接將磁環(huán)卡在線纜上，可選用長度較長的磁環(huán)。

【磁環(huán)繞匝的注意事項說明】：

對于信號線纜噪聲濾波，磁環(huán)通常不繞匝，選用磁環(huán)內(nèi)徑與線纜直徑穩(wěn)合的，磁環(huán)的長度較長的抑制效果更好。對于電源線噪聲濾波，磁環(huán)通常繞2-5匝，通常濾波效果較好，磁環(huán)選用壁厚的效果要優(yōu)于壁薄的。

用于3Pin（L/N+PE地線） AC電源濾波時，應根據(jù)噪聲頻點選擇L、N線單獨繞磁環(huán)、PE地線單獨繞磁環(huán)、L、N線+PE地線一起繞磁環(huán)的方式。

抑制150KHz-30MHz頻段是L、N線單獨繞磁環(huán)的方式，且磁環(huán)材質(zhì)優(yōu)選非晶磁環(huán)，次選錳鋅鐵氧體磁環(huán)；抑制150KHz-30MHz頻段有時選擇PE地線單獨繞磁環(huán)的方式，根據(jù)干擾頻點設定繞制圈數(shù)。

對于30MHz以上的頻點通常采用L、N線單獨繞磁環(huán)，磁環(huán)材質(zhì)優(yōu)選錳鋅鐵氧體，一般是繞線2-3匝即可，特殊情況需要在PE地線繞磁環(huán)2-3圈。

磁環(huán)的固定：

磁環(huán)是易碎物品，因此在安裝過程中需要進行良好的固定，避免運輸過程中的碰撞原而導致磁環(huán)破裂，可以采用扎帶固定磁環(huán)、螺釘固定、磁環(huán)套固定、套管固定等方式。

六、磁性材料基礎理論知識

磁導率：

磁導率是表征磁介質(zhì)磁性的物理量，表示在空間或在磁芯空間中的線圈流過電流后，產(chǎn)生磁通的阻力、或者是其在磁場中導通磁力線的能力，其公式如下：

其中H是磁場強度、B是磁感應強度，磁導率常用來表示，為介質(zhì)的磁導率，或稱為絕對磁導率。

通常使用的是磁介質(zhì)的相對磁導率μr,其定義為磁導率μ與真空磁導率μ0之比：

初始磁導率

是指基本磁化曲線妥H→0時的磁導率：

磁導率的測量

磁導率的測量是間接測量，測出磁芯片繞組線圈的電感量，再用公式計算出磁芯材料的磁導率，磁導率的測試儀器就是電感測試儀。

L是電感量、D是磁芯的磁路長度、A是磁芯的橫截面積，μ0是真空磁導率，N為線圈的匝數(shù)。

磁化曲線和磁滯回線：

鐵磁材料具有獨特的磁化性質(zhì)，在一塊未磁化的鐵磁材料的外面密繞線圈，流過線圈的磁化電流從零逐漸增大時，鐵磁材料的磁感應強度B是沿起始磁化曲線隨線圈的磁場強度H變化的，當H增大到最大值后，繼續(xù)減小到1，然后恢復到初始0值時，稱B按照這個變化過程所描繪的曲線為磁滯回線。

磁滯回線表示磁場強度周期性變化時，強磁性物質(zhì)磁滯現(xiàn)象的閉合磁化曲線?；敬呕€是對磁感應強度最大值取不同的數(shù)值，就得到一系列的磁滯回線，連接這些回線頂點的曲線叫基本磁化曲線。

圖24：幾種鐵磁性物質(zhì)的磁化曲線

磁滯回線具有結構靈敏的性質(zhì)，很容易受各種因素的影響。磁滯回線的產(chǎn)生則是由于技術磁化中的不可逆過程引起的，磁滯回線反映了鐵磁質(zhì)的磁化性能，它說明鐵磁質(zhì)的磁化是比較復雜的。

圖25：鐵磁質(zhì)超始磁化曲線和磁滯曲線

不同的磁化質(zhì)有不同形狀的磁滯回線，不同形狀的磁滯回線有不同的應用。磁滯回線為選材提供了依據(jù)，B-H磁滯回線所圍面積與磁滯損耗成正比，在交流電中磁滯損耗會鐵芯發(fā)熱而損耗電能，應想辦示減小磁滯損耗。

圖26：不同鐵磁材料的磁滯回線