磁珠

磁珠的全称为铁氧体磁珠滤波器(另有一种是非晶合金磁性材料制作的磁珠),是一种抗干扰元件,滤除高频噪声效果显著。

本质上来说,磁珠其实就是单匝的线圈,而电感是多匝的线圈。有一匝以上的线圈习惯称为电感线圈,少于一匝(导线直通磁环)的线圈习惯称之为磁珠,所以磁珠就是单匝电感,因此电感量小,与其寄生电容的共振频率就高(在这个频率点上,阻抗最高),因而对高频的抑制作用就好。

两者在电路中的符号虽然相同,但是单位却不同,磁珠的单位是欧姆,因为磁珠的单位是按照它在某一频率 产生的阻抗来标称的,阻抗的单位也是欧姆。磁珠的 DATASHEET上一般会提供频率和阻抗的特性曲线图,一般以100MHz为标准,比如1000R@100MHz,意思就是在100MHz频率的时候磁珠的阻抗相当于1000欧姆;电感的单位是亨利(H)。

原料

磁珠的主要原料为铁氧体(Ferrite Bead)。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。电磁干扰滤波器中经常使用的一类磁芯就是铁氧体材料,许多厂商都提供专门用于电磁干扰抑制的铁氧体材料。

原理图

磁珠通常有以上三种表示方法

特性参数

直流电阻(DCR)

也称直流阻抗,是直流电流通过此磁珠时所呈现的电阻值,表示对直流信号的衰减。因此越低越好。

该参数的单位为毫欧,即阻值很小,基本可忽略。

额定电流(RatedCurrent)

表示磁珠正常工作时的最大允许电流。

该参数主要跟温度有关系,一般是85度以内额定电流的大小不会变化,而大于85度,其值会极速下降。

阻抗[Z]ohm@100MHz

这里所指的是交流阻抗。

常见的有120ohm@100mhz,180ohm@100mhz,200ohm@100mhz。

器件命名后缀

一般公司会有几种不同应用的产品:

  • HZ系列磁珠在100MHz下的阻抗与普通磁珠类似,但在1GH2z时的阻抗是普通磁珠的3倍左右
  • HZ-U系列磁珠可用在低速信号线上,该系列可以提供较宽频率范围的高阻抗值
  • HZ-K系列磁珠提供陡峭的阻抗频谱,主要用在高速信号线上

等效模型

Rdc:直流电阻,Cpar:寄生电容,Lbead:磁珠电感,Rac交流电阻。

响应特性

铁氧体磁珠可依据三个响应区域分类:感性、阻性和容性。查看ZRX曲线便可确定这些区域,其中Z表示阻抗、R表示电阻、X表示磁珠的电抗。

在交越频率以下相对较低的频率处,磁珠的响应是感性的。在高频率处,磁珠的响应是容性的。为了降低高频噪声,磁珠必须处于阻性区域内;

例:根据数据手册,直流电阻(RDC)等于300毫欧。交流电阻(RAC)是磁珠表现为纯阻性时的峰值阻抗。从Z中减去RDC即可得出RAC。由于相比峰值阻抗,RDC极小,因而可以忽略。故而在高频处,铁氧体磁珠与去耦电容一同组成低通滤波器网络。

如需高效过滤电源噪声,应在额定直流电流约20%处使用铁氧体磁珠。如这两个示例所示,在额定电流20%处,电感下降至约30%(6 A磁珠)以及约15%(3 A磁珠)。故而选择磁珠的时候,要想保证好的去EMI效果,磁珠额定电流=电路的最大工作电流/20%

注意点

LC谐振效应:

当铁氧体磁珠与去耦电容一同部署时,可能产生谐振尖峰。这个经常被忽视的效应可能会损害性能,因为它可能会放大给定系统的纹波和噪声,而非衰减它们。

阻尼方法:

添加大电容(Cdamp)与串联阻尼电阻(Rdamp)的组合

CDAMP和RDAMP分别是1uF陶瓷电容和2欧姆SMD电阻。

在负载上采用大去耦电容与阻尼电阻的串联组合,从而避免了干扰谐振。

正确使用铁氧体磁珠可以高效而廉价地降低高频噪声和开关瞬变。

磁珠与电感的区别

1、 电感和磁珠都可以用于滤波,但是机理不一样。电感滤波是将电能转化为磁能,磁能将通过两种方式影响电路:一种方式是重新转换回电能,表现为噪声;一种方式是向外部辐射,表现为EMI(电磁干扰)。而磁珠是将电能转换为热能不会对电路构成二次干扰

2、 电感在低频段滤波性能较好,但在50MHz以上的频段滤波性能较差;磁珠利用其电阻成分能充分地利用高频噪声,并将之转换为热能已达到彻底消除高频噪声的目的。

3、 从EMC(电磁兼容)的层面说,由于磁珠能将高频噪声转换为热能,因此具有非常好的抗辐射功能,是常用的抗EMI器件,常用于用户接口信号线滤波、单板上高速时钟器件的电源滤波等。

4、 电感和电容构成低通滤波器时,由于电感和电容都是储能器件,因此两者的配合可能产生自激;磁珠是耗能器件,与电容协同工作时,不会产生自激

5、 一般电源用电感的额定电流相对较大,因此,电感常用于需要通过大电流的电源电路上,如用于电源模块滤波;而磁珠一般仅用于芯片级电源滤波(不过,目前市场上已经出现了大额定电流的磁珠)。

6、 磁珠和电感都具有直流电阻,磁珠的直流电阻相对于同样滤波性能的电感更小一些,因此用于电源滤波时,磁珠上的压降更小

应用

磁珠的外形和电感相似,其主要功能是吸收电源、信号上的噪声的干扰。

  • 电容滤波的基础是构建极低阻抗的通道,至于放多低的阻抗才能使单板上的绝大多数噪声通过该通道而流回地平面,需要进行大量复杂的电源完整性分析。
  • 电感构成的低通滤波原理是将噪声予以反射,并没有真正消灭滤波,只是改变了噪声传播的路径,噪声仍然在电路中四处游串。且电感一般用在几十MHz的,无法虑除某些特定的高频噪声。
  • 磁珠在一定频带内能反射噪声,在一定频带内还能吸收噪声并转换为热能。

在器件资料上,磁珠的参数一般都是在100MHz的阻抗值。转换点以下体现点感性,转换点以上体现电阻性。所以选择的磁珠应满足:

  1. 电路噪声的频带大于磁珠转换点的频率,使磁珠吸收噪声而不是反射噪声
  2. 电路信号的工作频带尽量小于磁珠转换点频率,以防有效信号被磁珠衰减

对于串联了磁珠的线路,磁珠的转换点频率越低,线路震荡和波形失真就越小;反之则越大。注意磁珠的转换点频率和谐振频率不是一个概念。

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