1、宽频抗电磁干扰材料和应用研究 录入者:designer | 时间:2008-07-07 17:10:43 | 作者: | 来源: | 浏览:10次 宽频抗电磁干扰材料和应用研究摘要:本文就各种抗电磁干扰材料 (EMI)、抗电磁干扰滤波器进行了全面的分析。对近期研制的新型复合抗电磁干扰材料，纳米抗 EMI 材料，六角抗EMI 材料、多层片式滤波器 (MCLF)申使用的低温烧结 NiZnCu 铁氧体材料，以及片式电感的制作工艺难点以及多层片式滤波器进行了大量的理论和实验研究，提出了解决的途径。 一、引言 电磁干扰 (EMI：Electro-Magnetic-Interference)是指不需要的电
2、磁信号或噪声信号等对需要的电磁信号的干扰。在如今电子信息时代，随着信息高速公路、卫星通信、移动通信、计算机应用等的高速发展，电磁干扰 (EMI)在军事和民用电子信息领域的影响越来越严重，对公共环境和人身安全以及军事保密、安全造成了很大的危害。目前强制性的电磁兼容标准 (EMC)已经在世界范围内执行，一些发达国家在电磁兼容设计技术、材料技术、元器件技术等方面从 70 年代就开始研究，并形成一系列的标准加以应用。我国已于 1998 年底宣布执行电磁兼容标准。但我国在此方面的研究起步较晚，在技术以及产品方面严重落后于发达国家，因此，对抗 EMI 材料和技术进行研究，自主研制开发我国的抗EMI 器件已
3、是势在必行。电磁兼容问题涉及面很宽，其核心是设法减少自身产生的电磁干扰和提高抗电磁干扰的能力。目前在电子设备和系统中通用的电磁兼容设计技术有接地、屏蔽、滤波三种，通常称之为抑制电磁干扰的三大技术。接地是将干扰信号引入接地端；屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或衰减干扰信号的电磁传输；滤波是阻止干扰频率信号通过而允许有用频率信号通过的一种技术。在这三种技术中，滤波技术是目前抑止电磁干扰最常见、最有效、最经济的一种手段。运用的方法也非常简单，在电气设备电源线的入口处插入抗 EMI 滤波器，滤波器可以把通过电源线传导的电磁干扰信号给予充分地抑制，换而言之，它既能抑制电气设备内部产生的电磁干扰，又能抑制外界电网传
4、入的电磁干扰。美国在 70 年代就开始了铁氧体抗电磁干扰材料的研制，目前已能生产各类抗电磁干扰材料和器件。美国陶瓷-磁性公司主要产品集中在 NiZn 铁氧体材料上，通过铁氧体的复数磁导率与频率的关系，改变不同成分配方及掺杂来实现铁氧体阻抗的频率特性和衰减频域;制成宽频域抗 EMI 铁氧体材料和各种滤波器。美国 STEWARD 公司，FILTER CONECPTS 公司分别研制成功 14 个系列和 4 个系列的抗 EMI 软磁材料，并应用于 IBM 公司、ZENITH 公司和 MOTOROLA 公司的各种微型计算机、数字设备以及 ATT 信息系统，取得了良好的效果。同时，也大量用于军用电子装备上
5、，便其更加完善。日本 TDK 公司有 5 大类抗 EMI材料研制成功，也主要用于 PC 联网、数字设备中。富士公司则集中于 MMIC及 IC 用抗电磁干扰滤波器材料及器件的开发。 国内在此方面的起步较晚，始于 80 年代。主要在软磁铁氧体材料和器件方面进行了大量的研究。电子科技大学，9 所，国营 899 厂己合作开发出抗 EMI 材料6 种、元器件 5 个系列，并初步解决了纳米晶软磁抗 EMI 材料的内层耦合及绝缘问题，使纳米晶软磁材料在抗 EMI 中得到有效应用。其他如东洋公司等单位也相继开发出系列产品并有了应用。现在国内市场上已有部分抗 EMI 材料、抗EMI 元件、抗 EMI 滤波器面世
6、。而用磁性和陶瓷材料制备的复合材料作为新型的抗电磁干扰材料，国内外都已有了一定的理论探讨，国内电子科技大学也巳开发出复合双性材料。 二、抗 EMI 材料的性能要求 作为抗 EMI 滤波器，要求衰减速度快，频带范围宽，同时应保证工作频率范围内信号不失真，能适应各种环境使用。这就对其磁芯材料提出了以下要求：第一，LC 型， 型，T 型抗 EMI 滤波器，要求高 i，高 Bs。抗 EMI 滤波器的电感器尽量减少匝数，以得到小的分布电容，改善高频性能，扩展频带范围。如果是作为滤除较低频率的 EMI 信号或电源噪声滤波器使用时，磁导率要求更高(i1500)第二，低 Hc，从而减小磁滞损耗；第三，高 ，减
7、小高频下涡流损耗；第四，高 c(fr)，适当的截止频率，以展宽频段；第五，高 Tc，以适应各类工作环境；第六，具有某一特定的损耗频率响应曲线，在需要衰减 EMI 信号的频段内损耗较大，足以把 EMI 衰减到最低电平，而在需要传输信号的频段内损耗较小，信号容易通过。不过，磁芯性能与其工作频率关系极大，而电磁波干扰信号的频率范围又相当宽，现在完全能满足上面六条要求的磁芯材料还没有。目前主要开发的抗 EMI 滤波器材料系列主要分为铁氧体系列、纳米晶软磁系列，六角 Co2Z 系列，复合双性系列四大类。表 1 显示了目前各种抗 EMI 材料性能指标的国际水平。 表一各种抗 EMI材料性能指标的国际水平
8、三、Nizncu 铁氧体的性能分析 我们常用的软磁铁氧体主要是 MnZn、NiZn 两大系列。其中 MnZn系产量大、用途广，适用于低频 1MHz以下，它具有高 i、低损耗和高稳定性的优点。 例如 i 可达 4104，Q 积一般为 50100万(100KHz)，最高可达 20300万。Bs 可在 0.5T以上，Hc 可在 1OA/m以下， 为 lO/m ，/i 与 D/i 为 10-510-6。NiZn 系材料在 1MHz以下的低频范围内，性能比不上MnZn系，但在 1MHz以上，由于它具有多孔性及高电阻率，因而大大优于MnZn系而成为高频应用中性能最好的软磁材料。其电阻率 可达 108/m，
9、高频损耗小(例如 NiZn-40在 1.5MHz时,tg/i60l0 -6，即Q=400500)，故特别适用于高频 1 30OMHz。而且 NiZn材料的居里温度较MnZn高，Bs 可高至 0.5T，Hc 亦可小至 1OA/m。此外，NiZn 系材料可以做到 大，具有较大的非线性，可在高频或高频大功率以及磁致伸缩器件等申应用，又由于 NiZn材料在工艺上没有氧化问题，故制造工艺比 MnZn材料简单。下表 2列 出了常用的 NiZn系铁氧体的性能指标。 表 2：常用的 NiZn系铁氧体的性能指标 注：“N”表示 Ni，“X”表示 Zn NiZn铁氧体材料可在 lMH30OMHz范围内使用，如果要
10、进一步提高使用频率范围，可在 NiZn材料中掺杂一定的 CuO，即得到 NiZnCu软磁铁氧体材料，NiZnCu铁氧体材料可工作 lOMH10OOMHz的频率范围内，符合宽频抗电磁干扰材料的设计要求。CuO 的加入可以提高材料的 Q值，但 值却要降低，这是因为尖晶石铁氧体中少量的 Cu2+离子倾向于占据八面体位(B 位)。由于晶场的作用，位于八面体 B位的 Cu2+离子产生能级分裂，同时改变了 Cu2+离子核外电子云的分布，造成 Cu2+离子周围的点阵发生畸变，正八面体畸变为沿 Z轴方向伸长或缩短的八面体，增大铁氧体材料的应力各向异性，从而使材料 值有所降低。同时，少量 CuO的加入在一定程度
11、上也可以降低材料的烧结温度，CuO 含量 Xwt%对 NiZnCu铁氧体烧结温度的影响如图 1所示。 图 1 CuO对 NiZnCu铁氧体烧结温度的影响以上仅介绍了软磁铁氧体 Mn-Zn 系列高 Bs 低功耗材料，随着高频变压器的广泛应用和片式元件的发展，以及第三代汽车照明电源氙弧灯直流变换器的大量运用，功率电感器和变压器用 Ni-Zn 材料也得到了快速发展。 Ni-Zn 材料制备时已改变传统模式，采用缺铁配方，以过量 CuO 掺入，加杂 、PbO、CoO 等杂质组合后，可大大提高性能，且超低温烧结(900以下)，即可得到密度 5.05.2g/ 的高电阻率优质 Ni-Zn 铁氧体材料，制作用于
12、网络的片式电感器等。从而大大拓宽了 Ni-Zn 材料的用途，创造了更加广阔的市场。我国通信事业正以前所未有的速度突飞猛进发展，全国移动电话已超过 1 亿户，几年后固定电话的主线用户也将达 3 亿户，因特网、多媒体、有线宽带网及个人电脑的市场增长更是惊人，使用频率的扩展使得高频高磁导率 Ni-Zn 材料也得到了快速发展。如EPCOS 公司的 K6( 1000)、K7( 1500)及 M13( 2300)；TDK 公司L6E( 1200)、L6( 1500)；FDK 公司 L62( 1400)、L68( 2000)；Philips 公司 8C12( 1200)等。Ni-Zn 材料电阻率均在 以上，而密度已超过Mn-Zn 高 材料的理论极限，在上述宽频领域，Ni-Zn 高 材料的应用如鱼得水，正为电子商务、远程教育、远程医疗、家庭办公的网络化、数字化服务发挥着更大作用。
