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磁環是一塊環狀的導磁體，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、低成本等優點。

一、磁環的工作原理

磁環能量傳遞的原理：

磁環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，當通過磁環的線圈中通入電流時，會在磁環周圍產生一個磁場，磁場的大小和方向由安培環路定理來決定，即磁場的大小與線圈中的電流成正比。

當通過磁環線圈中的電流發生變化時，磁場也會隨之變化，根據法拉第電磁感應定律，磁場的變化會在磁環中產生感應電動勢，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。

磁環抑制噪聲的原理：

磁環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，轉換成熱量散發出去，從而阻礙高頻噪聲干擾的傳遞。

二、磁環的電路等效模型

圖2：磁環的電路等效模型

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

磁環的阻抗頻率曲線：

圖3：磁環的阻抗曲線

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

三、磁環的磁芯

磁環是由磁芯+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。

磁環按使用的磁芯分類主要有鐵氧體磁環、鐵粉芯磁環、鐵硅鋁磁環、非晶磁環。

鐵氧體磁環：

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，磁芯呈現出非常低的感性阻抗值，不會影響數據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。

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

錳鋅鐵氧體磁環材料的磁導率一般在1000以上，被稱為高導磁環。錳鋅鐵氧體磁環，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。一般用于電源線、HDMI線材、USB線材等各種線材。

鐵粉芯磁環：

鐵粉芯磁環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繞制差模電感。

鐵粉芯環用兩色來區分材質，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：

鐵硅鋁磁環是使用率較高的磁環之一，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：

非晶磁環是一種由非晶態材料制成的磁性環形結構器件，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，它與傳統的晶態磁性材料相比，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。

根據非晶磁環所使用的材質不同，可分為鐵基非晶、鈷基非晶等，根據使用材料形狀可分為礴材型磁環和粉末型磁環。

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、成分復雜的非晶態材料。在制造非晶磁環時，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，形成非晶態的合金材料，最后將非晶態合金材料制成具有特定形狀、長、寬、材料等尺寸的磁環或磁條。

非晶磁環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、影響磁環濾波效果的因素

繞線匝數的影響：

一般磁環的規格書上面都會給出匝數的頻率阻抗曲線，如下圖所示：

圖12：匝數的頻率阻抗曲線

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

其中N為繞線的匝數，μr是磁環的磁導率，μ0是初始磁導率，A是磁環的截面積，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】：選擇磁環時應根據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：磁環居里溫度曲線

居里溫度是讓磁環內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，下降到磁導率變為1時，磁環便沒有磁性，不同的磁環居里溫度點不同，尤其使用在高溫環境下的磁環，更要關注居里溫度影響，保證磁環良好的濾波性能。

通流大小的影響:

圖14：電流頻率阻抗曲線

磁環內部磁疇的分布情況，當磁環沒有磁場時磁疇的分布是一個無序的狀態，而施加磁場時磁疇變成一個有序的狀態，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，而Micro扁平磁環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。

五、磁環的選型與應用

磁環的選型：

應根據需要抑制的頻率段，來選擇磁環的材質；再根據線徑的粗細選擇合適內徑尺寸的磁環，在相同材質的情況下，需要確定磁環的長度。

磁環材質的選擇：

用于線纜濾波的磁環，使用的材質主要有錳鋅鐵氧體、鎳鋅鐵氧體、非晶磁環。根據噪聲頻率選擇對應材質的磁環：非晶磁環抑制頻段最低達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。

磁環尺寸的選擇：

磁環的尺寸也是選型過程中需要重點關注，一般來說磁環的直徑和長度需要根據線纜直徑的尺寸和空間大小進行選擇，還要考慮磁環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、內徑盡量小”的磁環，即磁環越長越好，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，磁環存在飽和問題，橫截面積越大，越不易飽和。

磁環的應用場景：

磁環被廣泛應用于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】磁環應用于AC電源線，DC電源線的共模干擾的抑制。

磁環的應用注意事項：

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

磁環安裝位置：

磁環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。

磁環繞匝的注意事項：

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

【磁環繞匝的注意事項說明】：

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

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

抑制150KHz-30MHz頻段是L、N線單獨繞磁環的方式，且磁環材質優選非晶磁環，次選錳鋅鐵氧體磁環；抑制150KHz-30MHz頻段有時選擇PE地線單獨繞磁環的方式，根據干擾頻點設定繞制圈數。

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

磁環的固定：

磁環是易碎物品，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破裂，可以采用扎帶固定磁環、螺釘固定、磁環套固定、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，為介質的磁導率，或稱為絕對磁導率。

通常使用的是磁介質的相對磁導率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。

磁化曲線和磁滯回線：

鐵磁材料具有獨特的磁化性質，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，強磁性物質磁滯現象的閉合磁化曲線。基本磁化曲線是對磁感應強度最大值取不同的數值，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：幾種鐵磁性物質的磁化曲線

磁滯回線具有結構靈敏的性質，很容易受各種因素的影響。磁滯回線的產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的磁化性能，它說明鐵磁質的磁化是比較復雜的。

圖25：鐵磁質超始磁化曲線和磁滯曲線

不同的磁化質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，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