偶然看了兩篇有關(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(shuō)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(shuō)它們的感抗、容抗和阻抗會(huì)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。
圖1是一個(gè)磁珠的實(shí)際特性曲線圖。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(shuō)這個(gè)磁珠在1GHz時(shí)，是個(gè)純電阻，而且阻抗值最大。
圖1：磁珠的實(shí)際特性曲線圖。
前面簡(jiǎn)單介紹了EMI磁珠的基本特性曲線。從磁珠的阻抗曲線來(lái)看，其實(shí)它的特性就是可以用來(lái)做高頻信號(hào)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(wú)偏置電流情況下測(cè)試得到的曲線。
但大部分磁珠通常被放在電源線上用來(lái)濾除電源的EMI噪聲。在有偏置電流的情況下，磁珠的特性會(huì)發(fā)生一些變化。圖2是某個(gè)0805尺寸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(huì)變小，同時(shí)阻抗峰值點(diǎn)的頻率也會(huì)變高。
圖2：0805尺寸500mA的磁珠在不同的偏置電流下的阻抗曲線。
在進(jìn)一步闡述磁珠的特性之前，讓我們先來(lái)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(wàn)種，阻抗曲線也各不相同，我們應(yīng)該如何根據(jù)我們的實(shí)際應(yīng)用選擇合適的磁珠呢？讓我們首先來(lái)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和工作頻率下的特性。
表1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。
表1：不同大小磁珠在不同偏置電流和工作頻率下的特性。
從測(cè)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(lái)，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(huì)更好一些。
讓我們來(lái)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(shuō)，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。
讓我們?cè)賮?lái)看一下兩個(gè)不同曲線特征的磁珠A和磁珠B應(yīng)用于信號(hào)線時(shí)的情況(圖3)。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。
圖3：兩個(gè)不同曲線特征的磁珠A和磁珠B應(yīng)用于信號(hào)線時(shí)的情況。我們將兩個(gè)磁珠分別放在20MHz的信號(hào)線上，看看對(duì)信號(hào)輸出會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響(圖4)。
圖4：將兩個(gè)磁珠分別放在20MHz的信號(hào)線上。
用示波器分別測(cè)量磁珠輸出端的波形圖(圖5)，從輸出波形來(lái)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(duì)200MHz附近的信號(hào)的衰減較大，但對(duì)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(duì)信號(hào)的衰減頻譜也比較寬，因此對(duì)方波的波形影響也較大。
圖5：磁珠輸出端的波形圖。
上述三種情況對(duì)應(yīng)的EMI測(cè)試結(jié)果顯示，磁珠A和磁珠B都會(huì)對(duì)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(hào)線。磁珠B在應(yīng)用于信號(hào)線時(shí)，可以在盡量保持信號(hào)完整性的情況下，盡可能只對(duì)EMI頻率附近的噪聲產(chǎn)生最大的衰減。 |
