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作者：丁國勇 剛才偶然看了本刊的兩篇有關磁珠的專家博文，這兩篇博文都是講磁珠的。其中一篇是講磁珠與電感的區別，另一篇講磁珠其實就是一電阻特性，其實這樣的說法都是不準確的。 磁珠（Ferrite bead）的等效電路是一個DCR電阻串聯一個電感并聯一個電容和一個電阻。DCR是一個恒定值，但后面三個元件都是頻率的函數，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，當頻率低于fL（LC諧振頻率）時，磁珠呈現電感特性；當頻率等于fL時，磁珠是一個純電阻，此時磁珠的阻抗（impedance）最大；當頻率高于諧振頻率點fL時，磁珠則呈現電容特性。 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,那你選擇的時候就要看磁珠的特性曲線，其阻抗的最大值應該在200MHz左右。 下圖是一個磁珠的實際的特性曲線圖。大家可以看到這個磁珠的峰值點出現在1GHz左右。在峰點時，阻抗（Z）曲線的值與電阻（R）的相等。也就是說這個磁珠在1GHz時，是個純電阻，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，磁珠的特性會發生一些變化。下面是某個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，同時阻抗峰值點的頻率也會變高。
在進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。通常大家都用磁珠在100MHz時的阻抗值作為磁珠阻抗值。 DCR (ohm): 磁珠導體的的直流電阻。 額定電流：當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，我們應該如根據我們的實際應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。 從上表的測試數據中可以看出，1206尺寸的磁珠在低頻100MHz工作時，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用的情況下，應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，我們應該選擇較大尺寸的磁珠，而在高頻應用中，我們應該盡量選擇小尺寸的磁珠。 至于為什么大小磁珠會表現為如此特性，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不同曲線特征的磁珠A和磁珠B應用于信號線時的情況。 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。 我們將兩個磁珠分別放在如下的20MHz的信號線上，看看對信號輸出會產生什么樣的影響。 波形測試點
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的EMI測試結果。結果是磁珠A和磁珠B都會對EMI噪聲產生很大的衰減。磁珠A在整個EMI頻譜范圍內的衰減要稍好于磁珠B。
因此，在具體選用磁珠時，阻抗頻率特性平坦型的磁珠A比較適合應用于電源線，而頻率特性比較陡峭的磁珠B則較適合應用于信號線。磁珠B在應用于信號線時，可以在盡量保持信號完整性的情況下，盡可能只對EMI頻率附近的噪聲產生最大的衰減。 EMC磁珠應用于電子線路中抑制EMI,主要有兩種應用： 1.最常見用于電源線。2.用于信號線像音頻，視頻線等。那應該如何根據實際應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設計呢？ 向前面所述，如果要選用磁珠用于電源線，應該做如何選擇呢？ 首先，要知道開關電源的工作頻率。通常大多數開關電源工作于幾百KHz，少數的可以工作到幾MHz. 這個頻率基本上是在傳導輻射的頻率范圍。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或非直流信號的磁珠，通常要講交流信號轉換有效值，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，在滿足排版空間設計要求情況下，要盡量選用大尺寸的磁珠。 用于電源線的磁珠，DCR是十分關鍵的參數，特別是對于電池供電的便攜式設備，像手機，平板電腦等。應盡量選用DCR小的磁珠用于電源線，以提高電源效率。 當然，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成反比關系。需喲根據實際的應用情況，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，那應該如何選擇磁珠的種類呢？ 首先，我們應該知道磁珠要用于何種信號線，比如是音頻，視頻還是其他。這也就是說應該知道信號的工作頻率。原則上，磁珠的阻抗峰值頻率應至少高于信號的有效帶寬，否則會影響影響信號完整性，從而影響系統的正常工作。即使對于像音頻之類的低頻信號，因為音頻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幾十甚至幾百MHz的高頻噪聲。 其次，要知道信號電流。對于大多數信號而言，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，此時磁珠的選擇就要考慮輸出電流。此時要將音頻信號折算成有效值來選取適當額定電流的磁珠。 峰值阻抗應選擇在可能出現EMI問題的頻率點附近。 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，大學問！ 但愿這幾篇拙文能夠給廣大讀者有些幫助。 |
