磁珠及其在開關電源中的應用

1 引言
    
    由于電磁兼容的迫切要求，電磁干擾(EMI)抑制元件獲得了廣泛的應用。然而實際應用中的電磁兼容問題十分復雜，單單依靠理論知識是完全不夠的，它更依賴于廣大電子工程師的實際經(jīng)驗。為了更好地解決電子產(chǎn)品的電磁兼容性這一問題，還要考慮接地、電路與PCB板設計、電纜設計、屏蔽設計等問題[1][2]。本文通過介紹磁珠的基本原理和特性來說明它在開關電源電磁兼容設計中的重要性與應用，以期為設計者在設計新產(chǎn)品時提供必要的參考。
    
    2 磁珠及其工作原理
    
    磁珠的主要原料為鐵氧體，鐵氧體是一種立方晶格結構的亞鐵磁性材料，鐵氧體材料為鐵鎂合金或鐵鎳合金，它的制造工藝和機械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色。電磁干擾濾波器中經(jīng)常使用的一類磁芯就是鐵氧體材料，許多廠商都提供專門用于電磁干擾抑制的鐵氧體材料。這種材料的特點是高頻損耗非常大，具有很高的導磁率，它可以使電感的線圈繞組之間在高頻高阻的情況下產(chǎn)生的電容最小。鐵氧體材料通常應用于高頻情況，因為在低頻時它們主要呈現(xiàn)電感特性，使得損耗很小。在高頻情況下，它們主要呈現(xiàn)電抗特性并且隨頻率改變。實際應用中，鐵氧體材料是作為射頻電路的高 頻衰減器使用的。實際上，鐵氧體可以較好的等效于電阻以及電感的并聯(lián)，低頻下電阻被電感短路，高頻下電感阻抗變得相當高，以至于電流全部通過電阻。鐵氧體是一個消耗裝置，高頻能量在上面轉化為熱能，這是由它的電阻特性決定的。
    
    對于抑制電磁干擾用的鐵氧體，最重要的性能參數(shù)為磁導率和飽和磁通密度。磁導率可以表示為復數(shù)，實數(shù)部分構成電感，虛數(shù)部分代表損耗，隨著頻率的增加而增加。因此它的等效電路為由電感L和電阻R組成的串聯(lián)電路，如圖1所示，電感L和電阻R都是頻率的函數(shù)。當導線穿過這種鐵氧體磁芯時，所構成的電感阻抗在形式上是隨著頻率的升高而增加，但是在不同頻率時其機理是完全不同的。    在高頻段，阻抗主要由電阻成分構成，隨著頻率的升高，磁芯的磁導率降低，導致電感的電感量減小，感抗成分減小，但是，這時磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導致總的阻抗增加，當高頻信號通過鐵氧體時，電磁干擾被吸收并轉換成熱能的形式消耗掉。在低頻段，阻抗主要由電感的感抗構成，低頻時R很小，磁芯的磁導率較高，因此電感量較大，電感L起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制，并且這時磁芯的損耗較小，整個器件是一個低損耗、高品質因素Q特性的電感，這種電感容易造成諧振，因此在低頻段時可能會出現(xiàn)使用鐵氧體磁珠后干擾增強的現(xiàn)象[3]。
    
    磁珠種類很多，制造商會提供技術指標說明，特別是磁珠的阻抗與頻率關系的曲線。有的磁珠上有多個孔洞，用導線穿過可增加元件阻抗(穿過磁珠次數(shù)的平方)，不過在高頻時所增加的抑制噪聲能力可能不如預期的多，可以采用多串聯(lián)幾個磁珠的辦法。
    
    值得注意的是，高頻噪聲的能量是通過鐵氧體磁矩與晶格的耦合而轉變?yōu)闊崮苌l(fā)出去的，并非將噪聲導入地或者阻擋回去，如旁路電容那樣。因而，在電路中安裝鐵氧體磁珠時，不需要為它設置接地點。這是鐵氧體磁珠的突出優(yōu)點[4]。

3 磁珠和電感
    
    3.1 磁珠和電感的區(qū)別
    
    磁珠由氧磁體組成，電感由磁芯和線圈組成，磁珠把交流信號轉化為熱能，電感把交流存儲起來，緩慢的釋放出去，因此說電感是儲能元件，而磁珠是能量轉換(消耗)器件。電感多用于電源濾波回路，磁珠多用于信號回路，磁珠主要用于抑制電磁輻射干擾，而電感用于這方面則側重于抑制傳導性干擾。兩者都可用于處理EMC、EMI問題。磁珠是用來吸收超高頻信號，例如一些RF電路、PLL、振蕩電路、含超高頻存儲器電路(DDR SDRAM，RAMBUS等)都需要在電源輸入部分加磁珠，而電感是一種蓄能元件，用在LC振蕩電路、中低頻的濾波電路等，其應用頻率范圍很少超過50MHZ。地的連接一般用電感，電源的連接也用電感，而對信號線則常采用磁珠。
    
    3.2 片式磁珠與片式電感
    
    3.2.1 片式電感
    
    在電子設備的PCB板電路中會大量使用感性元件和EMI濾波器元件，這些元件包括片式電感和片式磁珠。在需要使用片式電感的場合，要求電感實現(xiàn)以下兩個基本功能：電路諧振和扼流電抗。諧振電路包括諧振發(fā)生電路、振蕩電路、時鐘電路、脈沖電路、波形發(fā)生電路等。諧振電路還包括高Q帶通濾波器電路。要使電路產(chǎn)生諧振，必須有電容和電感同時存在于電路中。在電感的兩端存在寄生電容，這是由于器件兩個電極之間的鐵氧體本體相當于電容介質而產(chǎn)生的。在諧振電路中，電感必須具有高品質因素Q，窄的電感偏差，穩(wěn)定的溫度系數(shù)，才能達到諧振電路窄帶，低的頻率溫度漂移的要求。高Q電路具有尖銳的諧振峰值。窄的電感偏置保證諧振頻率偏差盡量小。穩(wěn)定的溫度系數(shù)保證諧振頻率具有穩(wěn)定的溫度變化特性。標準的徑向引出電感和軸向引出電感以及片式電感的差異僅僅在于封裝不一樣。電感結構包括介質材料(通常為氧化鋁陶瓷材料)上繞制線圈，或者空心線圈以及鐵磁性材料上繞制線圈。在功率應用場合，作為扼流圈使用時，電感的主要參數(shù)是直流電阻(DCR，定義為元件在沒有交流信號下的直流電阻)、額定電流和低Q值。當作為濾波器使用時，希望寬的帶寬特性，因此并不需要電感的高Q特性，低的直流電阻(DCR)可以保證最小的電壓降。
    
3.2.2 片式磁珠
    
    片式磁珠是目前應用、發(fā)展很快的一種抗干擾元件，廉價、易用，濾除高頻噪聲效果顯著。片式磁珠由軟磁鐵氧體材料組成，片式鐵氧體磁珠的結構和等效電路如圖2所示，實質上它就是1個疊層型片式電感器，是由鐵氧體磁性材料與導體線圈組成的疊層型獨石結構。由于在高溫下燒結而成，因而具有致密性好、可靠性高等優(yōu)點。兩端的電極由銀/鎳/焊錫3層構成，可滿足再流焊和波峰焊的要求。在圖2所示的等效電路中，R代表由于鐵氧體材料的損耗(主要是磁損耗)以及導體線圈的歐盟損耗而引起的等效電阻，C是導體線圈的寄生電容。    片式磁珠的功能主要是消除存在于傳輸線結構(PCB電路)中的RF噪聲，RF能量是疊加在直流傳輸電平上的交流正弦波成分，直流成分是需要的有用信號，而射頻RF能量卻是無用的電磁干擾沿著線路傳輸和輻射(EMI)。要消除這些不需要的信號能量，使用片式磁珠扮演高頻電阻的角色(衰減器)，該器件允許直流信號通過，而濾除交流信號。通常高頻信號為30MHz以上，但是低頻信號也會受到片式磁珠的影響。
    
    片式磁珠不僅具有小型化和輕量化的優(yōu)點，而且在射頻噪聲頻率范圍內具有高阻抗特性，可以消除傳輸線中的電磁干擾。片式磁珠能夠降低直流電阻，以免對有用信號產(chǎn)生過大的衰減。片式磁珠還具有顯著的高頻特性和阻抗特性，能更好的消除RF能量。在高頻放大電路中還能消除寄生振蕩。有效的工作在幾個MHz到幾百MHz的頻率范圍內[5] [6]。
    
    片式磁珠在過大的直流電壓下，阻抗特性會受到影響，另外，如果工作溫升過高，或者外部磁場過大，磁珠的阻抗都會受到不利的影響。