磁珠的物理模型

鐵氧體磁珠(Ferrite Bead) 是目前應(yīng)用發(fā)展很快的一種抗干擾組件，廉價(jià)、易用，濾除高頻噪聲效果顯著。在電路中只要導(dǎo)線穿過(guò)它即可。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)上專門設(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。

磁珠主要用于抑制EMI差模噪聲，它的直流電阻（DCR）很小，高頻交流阻抗比較大。常見(jiàn)的600Ω是指磁珠在100MHz信號(hào)頻率下測(cè)得的交流阻抗值。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，磁珠可以分為普通型、大電流型和尖峰型。

（1）普通型磁珠。主要用于電流比較小（小于600mA）、無(wú)特殊要求的場(chǎng)景。普通型磁珠的直流電阻一般不超過(guò)1Ω，交流阻抗范圍一般在幾歐姆到幾千歐姆之間，主要作用是抑制和吸收電磁干擾和射頻干擾。

（2）大電流型磁珠。主要用在大電流場(chǎng)景，所以需要嚴(yán)格限制直流電阻，直流電阻一般不超過(guò)0.1Ω，交流阻抗也比普通型磁珠要小。

（3）尖峰型磁珠。主要用于對(duì)特定頻率范圍的信號(hào)進(jìn)行衰減，實(shí)現(xiàn)選頻功能。其交流阻抗在某一頻率范圍內(nèi)很高，在其他頻率范圍很低，呈現(xiàn)帶阻特性。

磁珠與電感的區(qū)別

1、電感是儲(chǔ)能元件，而磁珠是能量轉(zhuǎn)換（消耗）器件。電感和磁珠都可以用于濾波，但是機(jī)理不一樣。電感濾波是將電能轉(zhuǎn)化為磁能，磁能將通過(guò)兩種方式影響電路：一種方式是重新轉(zhuǎn)換回電能，表現(xiàn)為噪聲；一種方式是向外部輻射，表現(xiàn)為EMI（電磁干擾）。而磁珠是將電能轉(zhuǎn)換為熱能，不會(huì)對(duì)電路構(gòu)成二次干擾。

2、電感在低頻段濾波性能較好，但在50MHz以上的頻段濾波性能較差；磁珠利用其電阻成分能充分地利用高頻噪聲，并將之轉(zhuǎn)換為熱能已達(dá)到徹底消除高頻噪聲的目的。

3、從EMC（電磁兼容）的層面說(shuō)，由于磁珠能將高頻噪聲轉(zhuǎn)換為熱能，因此具有非常好的抗輻射功能，是常用的抗EMI器件，常用于用戶接口信號(hào)線濾波、單板上高速時(shí)鐘器件的電源濾波等。

4、電感和電容構(gòu)成低通濾波器時(shí)，由于電感和電容都是儲(chǔ)能器件，因此兩者的配合可能產(chǎn)生自激；磁珠是耗能器件，與電容協(xié)同工作時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生自激。

磁珠器主要特性參數(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：

磁珠的選型

磁珠在選型需要考慮噪聲干擾和通流兩方面因素。

（1）噪聲干擾方面需要考慮噪聲的頻率和強(qiáng)度。不同型號(hào)的磁珠有不同的頻率阻抗曲線。在選型時(shí)要選擇噪聲中心頻率對(duì)應(yīng)的阻抗較高的磁珠，從而更好地抑制噪聲。噪聲干擾越大，需要選擇阻抗更高的磁珠。但高阻抗磁珠也會(huì)對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生較大的衰減，所以阻抗并不是越高越好，需要綜合考慮信噪比。目前沒(méi)有明確的計(jì)算公式和選擇標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)實(shí)際效果來(lái)選型，一般交流阻抗在120Ω~600Ω之間的磁珠比較常用。例如，要求對(duì)于100MHz的、300mVpp的噪聲，經(jīng)過(guò)磁珠以后達(dá)到50mVpp的水平，假設(shè)負(fù)載為45Ω，那么就應(yīng)該選225Ω@100MHz，DCR<1Ω的磁珠。選擇225Ω是因?yàn)?45Ω/50mV)*250mV=225Ω。

（2）通流方面需要考慮額定電流的大小。直流電阻越大的磁珠一般額定電流越小。選型時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行。例如，系統(tǒng)電源的輸出電壓為3.3V，負(fù)載模塊的電源輸入需要的額定電流為300mA，負(fù)載模塊的輸入電源需要的輸入電壓不能低于3.0V。該負(fù)載模塊的電源輸入管腳需要選擇直流電阻小于1Ω的磁珠，再考慮降額設(shè)計(jì)，一般選擇0.5Ω的磁珠。

所以，磁珠選型時(shí)，可以按下列步驟進(jìn)行。

（1）首先需要確定需要濾除的噪聲的頻段，然后在這個(gè)頻段內(nèi)選擇合適的交流阻抗（可以通過(guò)仿真得到大概的阻抗范圍，仿真模型可以咨詢廠商）。

（2）確定該電路通過(guò)的最大電流。電路流過(guò)的電流決定了磁珠的額定電流，額定電流確定后，就可以根據(jù)后級(jí)電路需要的電壓范圍來(lái)計(jì)算磁珠的DCR范圍。

（3）選擇封裝。封裝可以根據(jù)單板的布局和結(jié)構(gòu)等實(shí)際情況進(jìn)行選擇。但需要注意的是，磁珠的阻抗在加電壓后與規(guī)格書(shū)上的阻抗是有差別的。要正確地選擇磁珠，必須注意以下幾點(diǎn)。

①不需要的信號(hào)的頻率范圍為多少？

②噪聲源是什么？

③需要多大的噪聲衰減？

④環(huán)境條件是什么（溫度、直流電壓、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度）？

⑤電路和負(fù)載阻抗是多少？

最后，磁珠選型時(shí)還需要注意降額使用。磁性器件的降額標(biāo)準(zhǔn)如表所示。

磁性器件的降額標(biāo)準(zhǔn)

本文轉(zhuǎn)載自： 硬件十萬(wàn)個(gè)為什么微信公眾號(hào)

審核編輯 黃宇