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作者：丁國勇 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)，也就是說它們的感抗，容抗和阻抗會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 前面簡單介紹了EMI磁珠的基本特性曲線。從磁珠的阻抗曲線來看，其實(shí)它的特性就是可以用來做高頻信號濾波器。 需要注意的是，通常大家看到的廠家提供的磁珠阻抗曲線，都是在無偏置電流情況下測試得到的曲線。 但大部分磁珠通常被放在電源線上用來濾除電源的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，磁珠的峰值阻抗會變小，同時(shí)阻抗峰值點(diǎn)的頻率也會變高。
在進(jìn)一步闡述磁珠的特性之前，讓我們先來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？ 讓我們首先來看一下阻抗值同為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。 Part Number / Size (All 600 Ohm chip beads) Z (Ohms) Z (Ohms) Z (Ohms) @ 100 MHz @ 500 MHz @ 1 GHz Zero Bias 100 mA Zero Bias 100 mA Zero Bias 100 mA 1206C601R 1206 size 600 550 220 220 105 120 0805E601R 0805 size 600 380 304 250 151 120 0603C601R 0603 size 600 300 330 420 171 200 0402A601R 0402 size 600 175 644 600 399 500 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，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，其阻抗特性會更好一些。 讓我們來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，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表現(xiàn)為如此特性，希望看了前面磁珠特性的讀者會自己找到答案。 讓我們再來看一下下面兩個(gè)不同曲線特征的磁珠A和磁珠B應(yīng)用于信號線時(shí)的情況。 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的信號線上，看看對信號輸出會產(chǎn)生什么樣的影響。 波形測試點(diǎn)
下面是用示波器分別量測磁珠輸出端的波形圖
從輸出波形來看，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200MHz附近的信號的衰減較大，但對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，其對信號的衰減頻譜也比較寬，因此對方波的波形影響也較大。 下面是上述三種情況對應(yīng)的EMI測試結(jié)果。結(jié)果是磁珠A和磁珠B都會對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)用于信號線。磁珠B在應(yīng)用于信號線時(shí)，可以在盡量保持信號完整性的情況下，盡可能只對EMI頻率附近的噪聲產(chǎn)生最大的衰減。 EMC磁珠應(yīng)用于電子線路中抑制EMI,主要有兩種應(yīng)用： 1.最常見用于電源線。2.用于信號線像音頻，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，要知道開關(guān)電源的工作頻率。通常大多數(shù)開關(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。對于起始于30MHz輻射頻率來講，屬于低頻的范圍。一般來講，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。對于哪些放置于開關(guān)或非直流信號的磁珠，通常要講交流信號轉(zhuǎn)換有效值，以此來選擇磁珠的額定電流。 對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。 假如磁珠用于信號線，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線，比如是音頻，視頻還是其他。這也就是說應(yīng)該知道信號的工作頻率。原則上，磁珠的阻抗峰值頻率應(yīng)至少高于信號的有效帶寬，否則會影響影響信號完整性，從而影響系統(tǒng)的正常工作。即使對于像音頻之類的低頻信號，因?yàn)橐纛l信號通常是由音頻解碼器解碼而來，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，其EMI噪聲通常也會是高達(dá)幾十甚至幾百M(fèi)Hz的高頻噪聲。 其次，要知道信號電流。對于大多數(shù)信號而言，像視頻，RS232等，僅僅是信號而已，并沒有太大的電流輸出，因此通常不需要考慮磁珠的額定電流。但對于音頻信號，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)要將音頻信號折算成有效值來選取適當(dāng)額定電流的磁珠。 峰值阻抗應(yīng)選擇在可能出現(xiàn)EMI問題的頻率點(diǎn)附近。 用于高速信號的磁珠要注意阻抗匹配，比如用于視頻信號線的磁珠阻抗在100MHz左右要在50歐姆左右。 用于信號線的磁珠，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，以免影響信號完整性。 小磁珠，大學(xué)問！ 但愿這幾篇拙文能夠給廣大讀者有些幫助。 |
