EMC磁珠到底是什么特性?(1)

剛才偶然看了本刊的兩篇有關(guān)磁珠的專家博文，這兩篇博文都是講磁珠的。其中一篇是講磁珠與電感的區(qū)別，另一篇講磁珠其實(shí)就是一電阻特性，其實(shí)這樣的說(shuō)法都是不準(zhǔn)確的。

磁珠(Ferrite bead)的等效電路是一個(gè)DCR電阻串聯(lián)一個(gè)電感并聯(lián)一個(gè)電容和一個(gè)電阻。DCR是一個(gè)恒定值，但后面三個(gè)元件都是頻率的函數(shù)，也就是說(shuō)它們的感抗，容抗和阻抗會(huì)隨著頻率的變化而變化，當(dāng)然它們阻值，感值和容值都非常小。

從等效電路中可以看到，當(dāng)頻率低于fL(LC諧振頻率)時(shí)，磁珠呈現(xiàn)電感特性;當(dāng)頻率等于fL時(shí)，磁珠是一個(gè)純電阻，此時(shí)磁珠的阻抗(impedance)最大;當(dāng)頻率高于諧振頻率點(diǎn)fL時(shí)，磁珠則呈現(xiàn)電容特性。

EMI選用磁珠的原則就是磁珠的阻抗在EMI噪聲頻率處最大。比如如果EMI噪聲的最大值在200MHz,那你選擇的時(shí)候就要看磁珠的特性曲線，其阻抗的最大值應(yīng)該在200MHz左右。

下圖是一個(gè)磁珠的實(shí)際的特性曲線圖。大家可以看到這個(gè)磁珠的峰值點(diǎn)出現(xiàn)在1GHz左右。在峰點(diǎn)時(shí)，阻抗(Z)曲線的值與電阻(R)的相等。也就是說(shuō)這個(gè)磁珠在1GHz時(shí)，是個(gè)純電阻，而且阻抗值最大。

Z: impedance R: R( f) X1: L\C

EMC磁珠到底是什么特性?(2)

前面簡(jiǎn)單介紹了EMI磁珠的基本特性曲線。從磁珠的阻抗曲線來(lái)看，其實(shí)它的特性就是可以用來(lái)做高頻信號(hào)濾波器。

需要注意的是，通常大家看到的廠家提供的磁珠阻抗曲線，都是在無(wú)偏置電流情況下測(cè)試得到的曲線。

但大部分磁珠通常被放在電源線上用來(lái)濾除電源的EMI噪聲。而在有偏置電流的情況下，磁珠的特性會(huì)發(fā)生一些變化。下面是某個(gè)0805尺寸 額定電流500mA的磁珠在不同的偏置電流下的阻抗曲線。大家可以看到，隨著電流的增加，磁珠的峰值阻抗會(huì)變小，同時(shí)阻抗峰值點(diǎn)的頻率也會(huì)變高。

在進(jìn)一步闡述磁珠的特性之前，讓我們先來(lái)看一下磁珠的主要特性指標(biāo)的定義：

Z (阻抗，impedance ohm) :磁珠等下電路中所有元件的阻抗之和,它是頻率的函數(shù)。通常大家都用磁珠在100MHz時(shí)的阻抗值作為磁珠阻抗值。

DCR (ohm): 磁珠導(dǎo)體的的直流電阻。

額定電流：當(dāng)磁珠安裝于印刷線路板并加入恒定電流，自身溫升由室溫上升40C時(shí)的電流值。

那么EMI磁珠有成千上萬(wàn)種，阻抗曲線也各不相同，我們應(yīng)該如根據(jù)我們的實(shí)際應(yīng)用選擇合適的磁珠呢?

EMC磁珠到底是什么特性?(3)

讓我們首先來(lái)看一下阻抗值同為600ohm@100MHz但尺寸大小不同的磁珠在不同偏置電流電流和工作頻率下的特性。

上面是四個(gè)不同大小的磁珠分別工作在0A，100mA偏置電流及在100MHz,500MHz和1GHz工作頻率下的阻抗值。

從上表的測(cè)試數(shù)據(jù)中可以看出，1206尺寸的磁珠在低頻100MHz工作時(shí)，其阻抗值僅從0A下的600ohm減小到100mA偏置電流下的550ohm,而0402尺寸的磁珠阻抗值卻從0A下的600ohm大幅減小為175ohm。

由此看來(lái)，在低頻大偏置電流應(yīng)用的情況下，應(yīng)該選擇大尺寸的磁珠，其阻抗特性會(huì)更好一些。

讓我們來(lái)看一下磁珠在高頻工作時(shí)的情形。

1206尺寸的磁珠其1GHz下的阻抗從100MHz下的600ohm大幅減小為105ohm,而0402尺寸的磁珠其1GHz下的阻抗則只由100MHz下的600ohm小幅減小為399ohm。

這也就是說(shuō)，在低頻大偏置電流的情況下，我們應(yīng)該選擇較大尺寸的磁珠，而在高頻應(yīng)用中，我們應(yīng)該盡量選擇小尺寸的磁珠。

至于為什么大小磁珠會(huì)表現(xiàn)為如此特性，希望看了前面磁珠特性的讀者會(huì)自己找到答案。

EMC磁珠到底是什么特性?(4)

讓我們?cè)賮?lái)看一下下面兩個(gè)不同曲線特征的磁珠A和磁珠B應(yīng)用于信號(hào)線時(shí)的情況。[!--empirenews.page--]

磁珠A和磁珠B的阻抗峰值都在100MHz和200MHz之間，但磁珠A阻抗頻率曲線比較平坦，磁珠B則比較陡峭。

我們將兩個(gè)磁珠分別放在如下的20MHz的信號(hào)線上，看看對(duì)信號(hào)輸出會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響。

波形測(cè)試點(diǎn)

下面是用示波器分別量測(cè)磁珠輸出端的波形圖

從輸出波形來(lái)看，磁珠B的輸出波形失真要明顯小于磁珠A。

原因是磁珠B的阻抗頻率波形比較陡峭，其阻抗在200MHz時(shí)較高，只對(duì)200MHz附近的信號(hào)的衰減較大，但對(duì)頻譜很寬的方波波形影響較小。而磁珠A的阻抗頻率特性比較平坦，其對(duì)信號(hào)的衰減頻譜也比較寬，因此對(duì)方波的波形影響也較大。

下面是上述三種情況對(duì)應(yīng)的EMI測(cè)試結(jié)果。結(jié)果是磁珠A和磁珠B都會(huì)對(duì)EMI噪聲產(chǎn)生很大的衰減。磁珠A在整個(gè)EMI頻譜范圍內(nèi)的衰減要稍好于磁珠B。

因此，在具體選用磁珠時(shí)，阻抗頻率特性平坦型的磁珠A比較適合應(yīng)用于電源線，而頻率特性比較陡峭的磁珠B則較適合應(yīng)用于信號(hào)線。磁珠B在應(yīng)用于信號(hào)線時(shí)，可以在盡量保持信號(hào)完整性的情況下，盡可能只對(duì)EMI頻率附近的噪聲產(chǎn)生最大的衰減。

EMC磁珠到底是什么特性?(5)

EMC磁珠應(yīng)用于電子線路中抑制EMI,主要有兩種應(yīng)用： 1.最常見(jiàn)用于電源線。2.用于信號(hào)線像音頻，視頻線等。那應(yīng)該如何根據(jù)實(shí)際應(yīng)用從千萬(wàn)種不同特性的EMC磁珠中選擇合適的磁珠用于自己的系統(tǒng)設(shè)計(jì)呢?

向前面所述，如果要選用磁珠用于電源線，應(yīng)該做如何選擇呢?

首先，要知道開(kāi)關(guān)電源的工作頻率。通常大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源工作于幾百KHz，少數(shù)的可以工作到幾MHz. 這個(gè)頻率基本上是在傳導(dǎo)輻射的頻率范圍。對(duì)于起始于30MHz輻射頻率來(lái)講，屬于低頻的范圍。一般來(lái)講，電源產(chǎn)生的輻射EMI噪聲，通常在小于 100MHz-300MHz范圍. 因此，選擇磁珠用選用峰值頻率小于300MHz低頻型的磁珠。

其次，就是要知道電源的工作電流。對(duì)于哪些放置于開(kāi)關(guān)或非直流信號(hào)的磁珠，通常要講交流信號(hào)轉(zhuǎn)換有效值，以此來(lái)選擇磁珠的額定電流。

對(duì)于用于電源線磁珠尺寸，像我們前面講到的，在滿足排版空間設(shè)計(jì)要求情況下，要盡量選用大尺寸的磁珠。

用于電源線的磁珠，DCR是十分關(guān)鍵的參數(shù)，特別是對(duì)于電池供電的便攜式設(shè)備，像手機(jī)，平板電腦等。應(yīng)盡量選用DCR小的磁珠用于電源線，以提高電源效率。

當(dāng)然，從抑制EMI的角度來(lái)講，磁珠的峰值阻抗越高越好。但通常，磁珠的阻抗與DCR成反比關(guān)系。需喲根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況，在DCR和阻抗間做一折中選擇。

最后，就像前面所講的，磁珠的阻抗曲線要盡量平坦，以最大限度的濾除電源的高次諧波噪聲。

EMC磁珠到底是什么特性?(6)

假如磁珠用于信號(hào)線，那應(yīng)該如何選擇磁珠的種類呢?

首先，我們應(yīng)該知道磁珠要用于何種信號(hào)線，比如是音頻，視頻還是其他。這也就是說(shuō)應(yīng)該知道信號(hào)的工作頻率。原則上，磁珠的阻抗峰值頻率應(yīng)至少高于信號(hào)的有效帶寬，否則會(huì)影響影響信號(hào)完整性，從而影響系統(tǒng)的正常工作。即使對(duì)于像音頻之類的低頻信號(hào)，因?yàn)橐纛l信號(hào)通常是由音頻解碼器解碼而來(lái)，其EMI噪聲通常是音頻解碼器的幾十MHz的時(shí)鐘頻率諧波。因此，即使是低頻的音頻信號(hào)，其EMI噪聲通常也會(huì)是高達(dá)幾十甚至幾百M(fèi)Hz的高頻噪聲。

其次，要知道信號(hào)電流。對(duì)于大多數(shù)信號(hào)而言，像視頻，RS232等，僅僅是信號(hào)而已，并沒(méi)有太大的電流輸出，因此通常不需要考慮磁珠的額定電流。但對(duì)于音頻信號(hào)，通常是有功率輸出的，此時(shí)磁珠的選擇就要考慮輸出電流。此時(shí)要將音頻信號(hào)折算成有效值來(lái)選取適當(dāng)額定電流的磁珠。

峰值阻抗應(yīng)選擇在可能出現(xiàn)EMI問(wèn)題的頻率點(diǎn)附近。

用于高速信號(hào)的磁珠要注意阻抗匹配，比如用于視頻信號(hào)線的磁珠阻抗在100MHz左右要在50歐姆左右。

用于信號(hào)線的磁珠，通常不需要考慮磁珠DCR，磁珠的尺寸要越小越好。

最后就是磁珠的阻抗曲線要盡量陡峭，以免影響信號(hào)完整性。

小磁珠，大學(xué)問(wèn)!

但愿這幾篇拙文能夠給廣大讀者有些幫助。