磁珠的原理与应用

在电源与产品数字电路EMC设计过程中,我们常常会使用到磁珠,那么磁珠滤波的原理以及如何使用呢?

磁珠的原理与应用

一、磁珠简介

磁珠是属于一种高频滤波器件。磁珠的基材为铁氧体,利用印刷技术将银浆印刷在铁氧体基材之上,通过烧结,切割,镀银制作而成。它的颜色呈灰黑色。

磁珠的原理与应用

磁珠主要应用在电磁兼容领域,解决一些电磁干扰问题。对于高频信号,磁珠应用在线路上呈现很高的阻抗;而对于低频信号,磁珠呈现很低的阻抗;对于DC线路它近似如一条跳线或者说零电阻。

磁珠单位是欧姆(Ω)。通常情况下,磁珠的大小是指在100MHz的频率下所产生的阻抗值Z,它的单位是欧姆。

二、磁珠的工作原理

(1)磁珠的滤波是将干扰信号转化为热能的方式消耗掉,对电路的有用信号质量和电路系统不会产生任何的危害。实际上,磁珠中的铁氧体可较好的等效于电阻以及电感的并联,低频下电阻被电感短路,高频下电感阻抗变得相当高,以至于电流全部通过电阻。铁氧体是一个消耗装置,高频能量在上面转化为热能,这是由他的电阻特性决定的。铁氧体磁珠与普通的电感相比具有更好的高频滤波特性。铁氧体在高频时呈现电阻性,相当于品质因数很低的电感器,所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗,从而提高高频滤波效能。

磁珠的原理与应用

 上图频率阻抗曲线

由频率阻抗曲线可知,磁珠会有三种响应区域:

X>R 磁珠呈现感性

X=R磁珠开始呈现阻性

R=-X 磁珠开始呈现容性

在低频段,阻抗由电感的感抗构成,低频时R很小,磁芯的磁导率较高,因此电感量较大,L起主要作用,电磁干扰被反射而受到抑制;并且这时磁芯的损耗较小,整个器件是一个低损耗、高Q特性的电感,这种电感容易造成谐振因此在低频段,有时可能出现使用铁氧体磁珠后干扰增强的现象。

在高频段,阻抗由电阻成分构成,随着频率升高,磁芯的磁导率降低,导致电感的电感量减小,感抗成分减小 但是,这时磁芯的损耗增加,电阻成分增加,导致总的阻抗增加,当高频信号通过铁氧体时,电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。

(2)使用过程中,需要使得需要滤波的频率处在磁珠的阻性区域,而且应该是感性相对比较小的区域。下图是一个磁珠的Impedance VSfrequency(MHz)的图。现在,想滤除一个100MHz的噪声,这个磁珠合适么?其实是不合适的,虽然这款磁珠在80MHz左右,R=X,开始呈现阻性,但是在100MHz左右的时候,其实还是有比较大的感性,用在电源线上滤波的时候,可能会产生振荡。这款磁珠,其实是最优的噪声抑制性能,在300MHz左右。

磁珠的原理与应用

(3)除了以上需注意的磁珠特性外,磁珠使用时,还有一点需要注意。有一些数字器件,在工作时,电流是变化的。有些磁珠和铁氧体磁芯的电感,在构造上基本是相同的,除了磁珠采用的是损耗更大的铁氧体磁芯。

因此,磁珠和电感一样,是抑制电流的快速变化的。

所以需要在磁珠的下游端(即被供电的芯片端)加一电容到地,要不,芯片可能会不正常工作。比如,输入信号均为3V的直流电压,负载为一周期变化的电流源,对磁珠后面接一电容到地以及磁珠后面无电容接地的两种情况进行仿真。

磁珠的原理与应用

由仿真结果可知,在电流变化过程中,左图的电压基本保持不变,但是右图的电压则变得非常不合理了。所以,使用磁珠时,在使用条件已知的情况下,可以借助仿真软件仿真一下,以减少犯错的可能性。

(4)直流偏置电流(DC biascurrent consideration)对磁珠性能的影响

磁珠的原理与应用

磁珠有直流重叠特性,当大电流通过时,需要特别注意由于磁饱和所造成的性能改变。从上图可以看出,通过磁珠的电流增大时,其阻抗会下降,阻抗下降就意味着抑制噪声的性能会变差,电流减小时,阻抗又会变大,性能会复原。

所以在选型时,我们要考虑好额定电流和阻抗这两个参数。

三、磁珠类型

依据它的应用,磁珠可分为4大类型:

1、普通磁珠

普通磁珠工作电流比较小,工作频带比较宽。主要应用于电路的控制线,信号线,数据线,时钟,I/O接口,工作电流比较小的电源滤波。

2、大电流磁珠(电源磁珠)

大电流磁珠工作电流很大,内阻(DCR)非常小,主要应用于电源的滤波。

3、高频磁珠

高频磁珠对高频信号会产生很大的率减,频带宽达到3G的范围。主要应用在时钟线,数据线,信号线等。

4、尖峰磁珠

尖峰磁珠的频带范围是很窄的,主要是针对某一个特定的频点滤波。主要应用在一些要求比较高的控制线,时钟和数据线等。

四、磁珠与电感区别

电感和磁珠有什么联系与区别?电感是储能元件,而磁珠是能量转换(消耗)器件。

磁珠和电感的在电路中的符号是一样的,却是不一样的器件,磁珠单位是欧姆(Ω),电感单位是亨(H)。

磁珠由氧磁体组成,电感由磁芯和线圈组成,磁珠把交流信号转化为热能,电感把交流存储起来,缓慢的释放出去,所以说电感是储能,而磁珠是能量转换(消耗)器件。

磁珠主要解决辐射干扰问题,信号线上多用磁珠,某一些高频电路如RF、振荡电路、DDR SDRAM等都需要在电源输入部分加磁珠。电感主要解决传导干扰问题,高频电感主要用于中低频滤波电路、RF匹配等,功率电感主要用于DC-DC电路中。

磁珠的原理与应用

上图可以看出,铁氧体在高频时呈现电阻性,相当于品质因数很低的电感器,所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗,从而提高高频滤波效能。

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来源:村田、TDR官网,加油射频工程师

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