最全磁珠知識(shí)總結(jié)：小東西也有大能耐

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磁珠的原理

磁珠的主要原料為鐵氧體。鐵氧體是一種立方晶格結(jié)構(gòu)的亞鐵磁性材料。鐵氧體材料為鐵鎂合金或鐵鎳合金，它的制造工藝和機(jī)械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色。電磁干擾濾波器中經(jīng)常使用的一類(lèi)磁芯就是鐵氧體材料，許多廠商都提供專(zhuān)門(mén)用于電磁干擾抑制的鐵氧體材料。這種材料的特點(diǎn)是高頻損耗非常大，具有很高的導(dǎo)磁率，它可以是電感的線圈繞組之間在高頻高阻的情況下產(chǎn)生的電容最小。

對(duì)于抑制電磁干擾用的鐵氧體，最重要的性能參數(shù)為磁導(dǎo)率μ和飽和磁通密度Bs。磁導(dǎo)率μ可以表示為復(fù)數(shù)，實(shí)數(shù)部分構(gòu)成電感，虛數(shù)部分代表?yè)p耗，隨著頻率的增加而增加。因此，它的等效電路為由電感L和電阻R組成的串聯(lián)電路，L和R都是頻率的函數(shù)。當(dāng)導(dǎo)線穿過(guò)這種鐵氧體磁芯時(shí)，所構(gòu)成的電感阻抗在形式上是隨著頻率的升高而增加，但是在不同頻率時(shí)其機(jī)理是完全不同的。

在低頻段：阻抗由電感的感抗構(gòu)成，低頻時(shí)R很小，磁芯的磁導(dǎo)率較高，因此電感量較大，L起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制，并且這時(shí)磁芯的損耗較小，整個(gè)器件是一個(gè)低損耗、高Q特性的電感，這種電感容易造成諧振因此在低頻段，有時(shí)可能出現(xiàn)使用鐵氧體磁珠后干擾增強(qiáng)的現(xiàn)象。

在高頻段：阻抗由電阻成分構(gòu)成，隨著頻率升高，磁芯的磁導(dǎo)率降低，導(dǎo)致電感的電感量減小，感抗成分減小。但是，這時(shí)磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導(dǎo)致總的阻抗增加，當(dāng)高頻信號(hào)通過(guò)鐵氧體時(shí)，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能的形式耗散掉。

鐵氧體抑制元件廣泛應(yīng)用于印制電路板、電源線和數(shù)據(jù)線上。如在印制板的電源線入口端加上鐵氧體抑制元件，就可以濾除高頻干擾。鐵氧體磁環(huán)或磁珠專(zhuān)用于抑制信號(hào)線、電源線上的高頻干擾和尖峰干擾，它也具有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。

兩個(gè)元件的數(shù)值大小與磁珠的長(zhǎng)度成正比，而且磁珠的長(zhǎng)度對(duì)抑制效果有明顯影響，磁珠長(zhǎng)度越長(zhǎng)抑制效果越好。

磁珠的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

當(dāng)導(dǎo)線中電流穿過(guò)時(shí)，鐵氧體對(duì)低頻電流幾乎沒(méi)有什么阻抗，而對(duì)較高頻率的電流會(huì)產(chǎn)生較大衰減作用。高頻電流在其中以熱量形式散發(fā)，其等效電路為一個(gè)電感和一個(gè)電阻串聯(lián)，兩個(gè)組件的值都與磁珠的長(zhǎng)度成比例。磁珠種類(lèi)很多，制造商應(yīng)提供技術(shù)指標(biāo)說(shuō)明，特別是磁珠的阻抗與頻率關(guān)系的曲線。

有的磁珠上有多個(gè)孔洞，用導(dǎo)線穿過(guò)可增加組件阻抗（穿過(guò)磁珠次數(shù)的平方），不過(guò)在高頻時(shí)所增加的抑制噪聲能力不可能如預(yù)期的多，而用多串聯(lián)幾個(gè)磁珠的辦法會(huì)好些。

鐵氧體是磁性材料，會(huì)因通過(guò)電流過(guò)大而產(chǎn)生磁飽和，導(dǎo)磁率急劇下降。大電流濾波應(yīng)采用結(jié)構(gòu)上專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的磁珠，還要注意其散熱措施。鐵氧體磁珠不僅可用于電源電路中濾除高頻噪聲（可用于直流和交流輸出），還可廣泛應(yīng)用于其它電路，其體積可以做得很小。特別是在數(shù)字電路中，由于脈沖信號(hào)含有頻率很高的高次諧波，也是電路高頻輻射的主要根源，所以可在這種場(chǎng)合發(fā)揮磁珠的作用。鐵氧體磁珠還廣泛應(yīng)用于信號(hào)電纜的噪聲濾除。

磁珠的主要特性參數(shù)

（1）直流電阻DCResistance(mohm)：直流電流通過(guò)此磁珠時(shí)，此磁珠所呈現(xiàn)的電阻值。

（2）額定電流RatedCurrent(mA)：表示磁珠正常工作時(shí)的最大允許電流。

（3）阻抗[Z]@100MHz(ohm)：這里所指的是交流阻抗。

（4）阻抗－頻率特性：描述阻抗值隨頻率變化的曲線。

（5）電阻－頻率特性：描述電阻值隨頻率變化的曲線

（6）感抗－頻率特性：描述感抗隨頻率變化的曲線。

下圖為某廠家磁珠特性參數(shù)及頻率特性曲線：

磁珠和電感的區(qū)別

電感是儲(chǔ)能元件，而磁珠是能量轉(zhuǎn)換（消耗）器件。電感多用于電源濾波回路，側(cè)重于抑止傳導(dǎo)性干擾；磁珠多用于信號(hào)回路，主要用于EMI方面。磁珠用來(lái)吸收超高頻信號(hào)，像一些RF電路、PLL、振蕩電路，含超高頻存儲(chǔ)器電路（DDR、SDRAM、RAMBUS等）都需要在電源輸入部分加磁珠；而電感是一種儲(chǔ)能元件，用在LC振蕩電路、中低頻的濾波電路等，其應(yīng)用頻率范圍很少超過(guò)50MHz。

在電子設(shè)備的PCB板電路中會(huì)大量使用感性元件和EMI濾波器元件。這些元件包括片式電感和片式磁珠，以下就這兩種器件的特點(diǎn)進(jìn)行描述并分析他們的普通應(yīng)用場(chǎng)合以及特殊應(yīng)用場(chǎng)合。

01

片式電感

表面貼裝元件的好處在于小的封裝尺寸和能夠滿足實(shí)際空間的要求。除了阻抗值，載流能力以及其他類(lèi)似物理特性不同外，通孔接插件和表面貼裝器件的其他性能特點(diǎn)基本相同。在需要使用片式電感的場(chǎng)合，要求電感實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)基本功能：電路諧振和扼流電抗。

諧振電路包括諧振發(fā)生電路、振蕩電路、時(shí)鐘電路、脈沖電路、波形發(fā)生電路等，還包括高Q帶通濾波器電路。要使電路產(chǎn)生諧振，必須有電容和電感同時(shí)存在于電路中。在電感的兩端存在寄生電容，這是由于器件兩個(gè)電極之間的鐵氧體本體相當(dāng)于電容介質(zhì)而產(chǎn)生的。

在諧振電路中，電感必須具有高Q，窄的電感偏差，穩(wěn)定的溫度系數(shù)，才能達(dá)到諧振電路窄帶，低的頻率溫度漂移的要求。高Q電路具有尖銳的諧振峰值。窄的電感偏置保證諧振頻率偏差盡量小。穩(wěn)定的溫度系數(shù)保證諧振頻率具有穩(wěn)定的溫度變化特性。標(biāo)準(zhǔn)的徑向引出電感和軸向引出電感以及片式電感的差異僅僅在于封裝不一樣。電感結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)材料（通常為氧化鋁陶瓷材料）上繞制線圈，或者空心線圈以及鐵磁性材料上繞制線圈。

在功率應(yīng)用場(chǎng)合，作為扼流圈使用時(shí)，電感的主要參數(shù)是直流電阻（DCR）,額定電流，和低Q值。當(dāng)作為濾波器使用時(shí)，希望寬的帶寬特性，因此，并不需要電感的高Q特性。低的DCR可以保證最小的電壓降，DCR定義為元件在沒(méi)有交流信號(hào)下的直流電阻。

02

片式磁珠

片式磁珠的功能主要是消除存在于傳輸線結(jié)構(gòu)（PCB電路）中的RF噪聲。RF能量是疊加在直流傳輸電平上的交流正弦波成分，直流成分是需要的有用信號(hào)；而射頻RF能量卻是無(wú)用的電磁干擾，沿著線路傳輸和輻射（EMI）。要消除這些不需要的信號(hào)能量，使用片式磁珠扮演高頻電阻的角色（衰減器），該器件允許直流信號(hào)通過(guò)，而濾除交流信號(hào)。通常高頻信號(hào)為30MHz以上，然而，低頻信號(hào)也會(huì)受到片式磁珠的影響。

片式磁珠由軟磁鐵氧體材料組成，構(gòu)成高體積電阻率的獨(dú)石結(jié)構(gòu)。渦流損耗同鐵氧體材料的電阻率成反比。渦流損耗隨信號(hào)頻率的平方成正比。使用片式磁珠的好處：小型化和輕量化。在射頻噪聲頻率范圍內(nèi)具有高阻抗，消除傳輸線中的電磁干擾。 閉合磁路結(jié)構(gòu)，更好地消除信號(hào)的串繞。 極好的磁屏蔽結(jié)構(gòu)。降低直流電阻，以免對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生過(guò)大的衰減。

顯著的高頻特性和阻抗特性（更好的消除RF能量）。在高頻放大電路中消除寄生振蕩。有效的工作在幾個(gè)MHz到幾百M(fèi)Hz的頻率范圍內(nèi)。

要正確的選擇磁珠，必須注意以下幾點(diǎn)：

• 不需要的信號(hào)的頻率范圍為多少。

• 噪聲源是誰(shuí)。需要

• 多大的噪聲衰減。

• 環(huán)境條件是什么（溫度、直流電壓、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度）。

• 電路和負(fù)載阻抗是多少。

• 是否有空間在PCB板上放置磁珠。

前三條通過(guò)觀察廠家提供的阻抗頻率曲線就可以判斷。在阻抗曲線中三條曲線都非常重要，即電阻、感抗和總阻抗。典型的阻抗曲線可參見(jiàn)磁珠的DATASHEET。

通過(guò)這一曲線，選擇在希望衰減噪聲的頻率范圍內(nèi)具有最大阻抗，而在低頻和直流下信號(hào)衰減盡量小的磁珠型號(hào)。片式磁珠在過(guò)大的直流電壓下，阻抗特性會(huì)受到影響，另外，如果工作溫升過(guò)高，或者外部磁場(chǎng)過(guò)大，磁珠的阻抗都會(huì)受到不利的影響。

03

兩者的區(qū)別

是使用片式磁珠，還是片式電感，主要取決于應(yīng)用。在諧振電路中需要使用片式電感；而需要消除不需要的EMI噪聲時(shí)，使用片式磁珠是最佳的選擇。

片式電感的應(yīng)用場(chǎng)合：射頻(RF)和無(wú)線通訊，信息技術(shù)設(shè)備，雷達(dá)檢波器，汽車(chē)電子，蜂窩電話，尋呼機(jī)，音頻設(shè)備，PDAs(個(gè)人數(shù)字助理)，無(wú)線遙控系統(tǒng)以及低壓供電模塊等。

片式磁珠的應(yīng)用場(chǎng)合：時(shí)鐘發(fā)生電路，模擬電路和數(shù)字電路之間的濾波，I/O輸入、輸出內(nèi)部連接器，射頻(RF)電路和易受干擾的邏輯設(shè)備之間，供電電路中濾除高頻傳導(dǎo)干擾，計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、錄像機(jī)、電視系統(tǒng)和手提電話中的EMI噪聲抑止。

磁珠的選用

磁珠的單位是歐姆，而不是亨特，這一點(diǎn)要特別注意。因?yàn)榇胖榈膯挝皇前凑账谀骋活l率產(chǎn)生的阻抗來(lái)標(biāo)稱(chēng)的，阻抗的單位也是歐姆。磁珠的DATASHEET上一般會(huì)提供頻率和阻抗的特性曲線圖，一般以100MHz為標(biāo)準(zhǔn)，比如1000R@100MHz，意思就是在100MHz頻率的時(shí)候磁珠的阻抗相當(dāng)于600歐姆。

普通濾波器是由無(wú)損耗的電抗元件構(gòu)成的，它在線路中的作用是將阻帶頻率反射回信號(hào)源，所以這類(lèi)濾波器又叫反射濾波器。當(dāng)反射濾波器與信號(hào)源阻抗不匹配時(shí)，就會(huì)有一部分能量被反射回信號(hào)源，造成干擾電平的增強(qiáng)。為解決這一弊病，可在濾波器的進(jìn)線上使用鐵氧體磁環(huán)或磁珠套，利用滋環(huán)或磁珠對(duì)高頻信號(hào)的渦流損耗，把高頻成分轉(zhuǎn)化為熱損耗。因此磁環(huán)和磁珠實(shí)際上對(duì)高頻成分起吸收作用，所以有時(shí)也稱(chēng)之為吸收濾波器。

不同的鐵氧體抑制元件，有不同的最佳抑制頻率范圍。通常磁導(dǎo)率越高，抑制的頻率就越低。此外，鐵氧體的體積越大，抑制效果越好。在體積一定時(shí)，長(zhǎng)而細(xì)的形狀比短而粗的抑制效果好，內(nèi)徑越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情況下，還存在鐵氧體飽和的問(wèn)題，抑制元件橫截面越大，越不易飽和，可承受的偏流越大。

EMI吸收磁環(huán)/磁珠抑制差模干擾時(shí)，通過(guò)它的電流值正比于其體積，兩者失調(diào)造成飽和，降低了元件性能；抑制共模干擾時(shí)，將電源的兩根線（正負(fù)）同時(shí)穿過(guò)一個(gè)磁環(huán)，有效信號(hào)為差模信號(hào)，EMI吸收磁環(huán)/磁珠對(duì)其沒(méi)有任何影響，而對(duì)于共模信號(hào)則會(huì)表現(xiàn)出較大的電感量。磁環(huán)的使用中還有一個(gè)較好的方法是讓穿過(guò)的磁環(huán)的導(dǎo)線反復(fù)繞幾下，以增加電感量。可以根據(jù)它對(duì)電磁干擾的抑制原理，合理使用它的抑制作用。

鐵氧體抑制元件應(yīng)當(dāng)安裝在靠近干擾源的地方。對(duì)于輸入／輸出電路，應(yīng)盡量靠近屏蔽殼的進(jìn)、出口處。對(duì)鐵氧體磁環(huán)和磁珠構(gòu)成的吸收濾波器，除了應(yīng)選用高磁導(dǎo)率的有耗材料外，還要注意它的應(yīng)用場(chǎng)合。它們?cè)诰€路中對(duì)高頻成分所呈現(xiàn)的電阻大約是十至幾百Ω，因此它在高阻抗電路中的作用并不明顯，相反，在低阻抗電路（如功率分配、電源或射頻電路）中使用將非常有效。

-END-

 

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