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              一文讀懂EMC磁珠到底有什么特性?

              作者:時間:2018-08-22來源:網絡收藏

                到底是什么特性?(1)

              本文引用地址:http://www.snowlakeshores.com/article/201808/390931.htm

                剛才偶然看了本刊的兩篇有關的專家博文,這兩篇博文都是講的。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

                磁珠到底是什么特性?(2)

                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?

                磁珠到底是什么特性?(3)

                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。



                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。

                EMC磁珠到底是什么特性?(4)

                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磁珠到底是什么特性?(5)

                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。

                EMC磁珠到底是什么特性?(6)

                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。



              關鍵詞: EMC 磁珠

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