什么是磁珠 磁珠的作用和工作原理 磁珠的參數(shù)和應(yīng)用場(chǎng)合講解

磁珠想必大家都不陌生，很多人見過，用過，但是不知是否有總結(jié)過呢？ 我印象比較深刻的是，在一次面試的時(shí)候，面試官問我磁珠和電感在濾波方面的區(qū)別。那是我第一次對(duì)磁珠這個(gè)東西有了概念。

在后來(lái)，在工作中看別人用，自己用，再到現(xiàn)在自己總結(jié)，給別人講磁珠。

1. 磁珠的定義

磁珠是一種被動(dòng)組件，用來(lái)抑制電路中的高頻噪聲。磁珠是一種特別的扼流圈，其成分多半為鐵氧體，利用其高頻電流產(chǎn)生的熱耗散來(lái)抑制高頻噪聲。磁珠有時(shí)也稱為磁環(huán)、EMI濾波器、鐵芯等（維基百科）。

磁珠是濾波常用的器件，鐵，鎳，鋅氧化物混合而成，所以稱為鐵氧體磁珠，鐵氧體磁珠因?yàn)?a target="_blank">電阻率非常高，磁導(dǎo)率（100~1500）較高的特性，串接在信號(hào)或電源通路上，用于抑制高頻噪聲。當(dāng)電流流過鐵氧體磁珠時(shí)，低頻電流可以幾乎無(wú)衰減地流過，但高頻電流卻會(huì)受到很大的損耗，轉(zhuǎn)變成熱量散發(fā)。

2. 磁珠的用法

磁珠的主要原料為鐵氧體，專用于兩種場(chǎng)合，抑制信號(hào)線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾。磁珠有很高的電阻率和磁導(dǎo)率。 應(yīng)用案例如下圖所示：



3. 磁珠濾波作用

在總結(jié)磁珠的濾波特性之前，有必要對(duì)比一下電容和電感的濾波特性。

電容的濾波原理

根據(jù)前面的定義，磁珠一般是用在濾除高頻噪聲干擾的場(chǎng)合。電容在高頻區(qū)實(shí)現(xiàn)濾波的是依據(jù)電容自身阻抗的表達(dá)式：



當(dāng)經(jīng)過電容的噪聲信號(hào)頻率越高時(shí)，電容的容抗越小，因此高頻噪聲越容易通過電容，如果此時(shí)將電容對(duì)地放置，那么高頻噪聲就會(huì)經(jīng)過低阻抗的電容到地。

電感的濾波原理

電感用在濾波電路中是利用自身的感抗，在高頻時(shí)，電感的感抗會(huì)增加。根據(jù)感抗的公式：



噪聲的頻率越高，電感的阻抗越大，那么在噪聲經(jīng)過電感時(shí)，會(huì)因?yàn)榕龅骄薮蟮淖璧K，導(dǎo)致信號(hào)被反射回去?？梢约傧氪藭r(shí)的噪聲Noise是高壓槍水管，電感是一堵墻，當(dāng)高壓水槍對(duì)著墻面時(shí)，會(huì)被反彈回來(lái)一樣。



那么磁珠的濾波原理是怎么樣的呢？為了研究這個(gè)問題，我們最好是能像研究電感和電容一樣，知道磁珠在高頻的表達(dá)式，或者是等效電路。

磁珠的等效電路

磁珠的等效電路如下圖所示：



其中等效是直流電阻，是一個(gè)恒定值，為寄生電容，為磁珠相關(guān)聯(lián)的交流電阻(交流磁芯損耗)，為磁珠的線圈感抗。根據(jù)上述等效電路，磁珠的表達(dá)式為：



可以看出磁珠的阻抗Z是頻率的函數(shù)，在不同的頻率段阻抗存在變化。將帶有頻率部分簡(jiǎn)化為電抗X，則磁珠的表達(dá)式為：



將上述表達(dá)式繪制成曲線，就是磁珠數(shù)據(jù)手冊(cè)中的曲線。



從上述的曲線可以看出，磁珠阻抗為了三個(gè)區(qū)域，低頻段電感占主導(dǎo)，呈現(xiàn)電感的特性；中間段電阻占主導(dǎo)，呈現(xiàn)電阻的特性；高頻段電容占主導(dǎo)，呈現(xiàn)電容的特性。Z表示阻抗整體，R表示阻抗的電阻成分、X表示電抗成分。也可以看成是，Z表示綜合的靜噪性能、R表示通過磁損耗吸收噪聲的性能、X表示通過阻抗成分使噪聲反彈的性能。

還有一種磁珠的等效模型，等效于電阻和電感串聯(lián)，但電阻值和電感值都隨頻率變化，相比較而言，磁珠比普通的電感有更好的高頻濾波特性，在高頻時(shí)呈現(xiàn)阻性，并且能在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的阻抗，從而有很好的起到吸收噪聲的效果。



在這種模型等效下，更容易理解磁珠，在低頻的時(shí)候，磁珠等效為電感，此時(shí)的交流電阻很低，而在高頻的時(shí)候，磁珠等效為電阻。如下圖所示。

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使用這種等效模型分析原理基本一致，不做更多的贅述。

磁珠濾波原理

磁珠用在信號(hào)線上濾波，主要是用它中間段的特性，即呈現(xiàn)電阻性。當(dāng)噪聲通過磁珠時(shí)，會(huì)在電阻上產(chǎn)生熱量，能量電信號(hào)轉(zhuǎn)換成了熱能量。如下圖所示。



當(dāng)然，如果信號(hào)經(jīng)過電阻就能產(chǎn)生熱量，根據(jù)焦耳熱的公式：



在一定的時(shí)間內(nèi)要產(chǎn)生足夠的熱量，要么是電流大，或者是電阻大才能滿足條件。

而磁珠一般用在電源線上或者信號(hào)線上，對(duì)于信號(hào)線上的噪聲，電流可能是mA甚至是級(jí)別，因此這么小的電流通過磁珠就能轉(zhuǎn)換成熱量，只能說明此時(shí)磁珠表現(xiàn)為一個(gè)高電阻值的器件。

結(jié)合TDK磁珠MMZ2012S102A阻抗曲線可以看出，阻抗在100MHz的信號(hào)頻率下為1100Ω，和上面分析消除噪聲是利用高阻抗的原理吻合。



既然是高阻值就能消除噪聲，為什么不直接在信號(hào)上放MΩ級(jí)別的電阻呢？顯然不行，因?yàn)樵谛盘?hào)線或者電源線上，如果是直流信號(hào)，使用一個(gè)MΩ級(jí)別的電阻，大部分壓降都在電阻上消耗了，完全不符合設(shè)計(jì)的初衷。

但是磁珠不會(huì)，因?yàn)榇胖樵诘皖l段阻抗很小，只是在高頻段才能呈現(xiàn)高阻抗，而噪聲信號(hào)一般都在幾十MHz~幾百M(fèi)Hz以上，剛好磁珠阻抗在這個(gè)頻段高，因此能消除噪聲。

根據(jù)上面的分析，可以將磁珠的工作原理用下面的模型進(jìn)行等效。

（1）當(dāng)信號(hào)頻率較低時(shí)（30M以內(nèi)），磁珠的等效模型如下



此時(shí)磁珠表征出的特性如曲線紅色區(qū)間所示。



（2）當(dāng)信號(hào)頻率上升后（30M~1000M），磁珠的等效模型如下



此時(shí)磁珠表征出的特性如曲線黃色區(qū)間所示。



（3）當(dāng)信號(hào)頻率非常高時(shí)（1000M以上），磁珠的等效模型如下



此時(shí)磁珠表征出的特性如曲線綠色區(qū)間所示。



4.磁珠濾波電路舉例

根據(jù)上面的分析，磁珠主要用在電源和信號(hào)線上。起到的作用主要是濾波和降低EMI。

信號(hào)線上用磁珠

信號(hào)線上使用磁珠一般存在兩種情況，普通的數(shù)字信號(hào)和射頻GHz的信號(hào)，下圖是一個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)的原理框圖，U1為單片機(jī)，U2為電平轉(zhuǎn)換芯片，U3是顯示驅(qū)動(dòng)模塊。磁珠排放置在并口的數(shù)據(jù)線上，其目的是為了消除高速數(shù)字信號(hào)在傳輸時(shí)產(chǎn)生的高次諧波，避免干擾輻射到顯示屏上，導(dǎo)致圖像出現(xiàn)雪花點(diǎn)或者圖像閃屏的現(xiàn)象。



如果在信號(hào)線上有尖峰噪聲，使用磁珠可以吸收掉高頻的毛刺，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行了濾波。左圖為帶有噪聲的信號(hào)，右圖是經(jīng)過磁珠后的輸出信號(hào)。

電源線上用磁珠

在電源線上使用磁珠，較多的是將電源進(jìn)行隔離，比圖下圖中VDD是數(shù)字電源，AVDD模擬電源，在數(shù)字電源和模擬電源中間增加磁珠，可以達(dá)到更好的濾波效果。





此時(shí)磁珠的選型如下



另外一種使用方法是在芯片輸入端增加磁珠，如下圖所示：這種使用方法是想將外部電源上的噪聲進(jìn)行濾除，防止進(jìn)入后級(jí)的電路中。



在這種使用方法中，需要注意兩點(diǎn)，磁珠的選型通流能力需要滿足負(fù)載在電流的需求，另外在磁珠后面需要增加去耦電容。

EMC上用磁珠

無(wú)論在信號(hào)上還是在電源線上使用磁珠，其本質(zhì)目的都是消除高頻噪聲，而高頻噪聲對(duì)外的輻射發(fā)射超標(biāo)是EMC常見的問題，特別是在時(shí)鐘信號(hào)線上，因此，在設(shè)計(jì)晶振電路時(shí)，會(huì)在電源線上增加磁珠，防止晶振電路的干擾串到系統(tǒng)的電源中。



因此，EMC上使用磁珠更多的是結(jié)果，而不是原因。

在我們筆記本電源線上也使用磁珠，為了防止傳導(dǎo)輻射。

再比如在USB線上增加磁環(huán)，用于消除輻射干擾。

下面是在帶寬為30~350M信號(hào)線上增加磁珠和不增加磁珠測(cè)試到的輻射頻譜，結(jié)果顯示在30~350M頻段上磁珠將所有的峰值噪聲都進(jìn)行了消除，因此，這個(gè)磁珠用在低頻段比較合適，而在高于350M以上的帶寬顯然這個(gè)磁珠無(wú)法起到作用。



5.問題討論

現(xiàn)設(shè)計(jì)的晶振電源濾波電路如下，VCC為系統(tǒng)主電源3.3V，磁珠FB的該如何選型？選型時(shí)需要注意什么？PCB布局有什么講究？歡迎大家留言討論！

審核編輯：劉清