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EMC磁珠到底有什么特性?

来源:eet-china    发布时间:2018-01-11 21:58:46

EMC磁珠到底是什么特性?(1)

刚才偶然看了本刊的两篇有关磁珠的专家博文,这两篇博文都是讲磁珠的。其中一篇是讲磁珠与电感的区别,另一篇讲磁珠其实就是一电阻特性,其实这样的说法都是不准确的。

磁珠(Ferrite bead)的等效电路是一个DCR电阻串联一个电感并联一个电容和一个电阻。DCR是一个恒定值,但后面三个元件都是频率的函数,也就是说它们的感抗,容抗和阻抗会随着频率的变化而变化,当然它们阻值,感值和容值都非常小。



从等效电路中可以看到,当频率低于fL(LC谐振频率)时,磁珠呈现电感特性;当频率等于fL时,磁珠是一个纯电阻,此时磁珠的阻抗(impedance)最大;当频率高于谐振频率点fL时,磁珠则呈现电容特性。

EMI选用磁珠的原则就是磁珠的阻抗在EMI噪声频率处最大。比如如果EMI噪声的最大值在200MHz,那你选择的时候就要看磁珠的特性曲线,其阻抗的最大值应该在200MHz左右。

下图是一个磁珠的实际的特性曲线图。大家可以看到这个磁珠的峰值点出现在1GHz左右。在峰点时,阻抗(Z)曲线的值与电阻(R)的相等。也就是说这个磁珠在1GHz时,是个纯电阻,而且阻抗值最大。



Z: impedance   R: R( f)   X1: L\\C


EMC磁珠到底是什么特性?(2)

前面简单介绍了EMI磁珠的基本特性曲线。从磁珠的阻抗曲线来看,其实它的特性就是可以用来做高频信号滤波器。

需要注意的是,通常大家看到的厂家提供的磁珠阻抗曲线,都是在无偏置电流情况下测试得到的曲线。

但大部分磁珠通常被放在电源线上用来滤除电源的EMI噪声。而在有偏置电流的情况下,磁珠的特性会发生一些变化。下面是某个0805尺寸 额定电流500mA的磁珠在不同的偏置电流下的阻抗曲线。大家可以看到,随着电流的增加,磁珠的峰值阻抗会变小,同时阻抗峰值点的频率也会变高。



在进一步阐述磁珠的特性之前,让我们先来看一下磁珠的主要特性指标的定义:

Z (阻抗,impedance ohm) :磁珠等下电路中所有元件的阻抗之和,它是频率的函数。通常大家都用磁珠在100MHz时的阻抗值作为磁珠阻抗值。

DCR (ohm): 磁珠导体的的直流电阻。

额定电流:当磁珠安装于印刷线路板并加入恒定电流,自身温升由室温上升40C时的电流值。

那么EMI磁珠有成千上万种,阻抗曲线也各不相同,我们应该如根据我们的实际应用选择合适的磁珠呢?


EMC磁珠到底是什么特性?(3)


让我们首先来看一下阻抗值同为600ohm@100MHz但尺寸大小不同的磁珠在不同偏置电流电流和工作频率下的特性。

上面是四个不同大小的磁珠分别工作在0A,100mA偏置电流及在100MHz,500MHz和1GHz工作频率下的阻抗值。

从上表的测试数据中可以看出,1206尺寸的磁珠在低频100MHz工作时,其阻抗值仅从0A下的600ohm减小到100mA偏置电流下的550ohm,而0402尺寸的磁珠阻抗值却从0A下的600ohm大幅减小为175ohm。

由此看来,在低频大偏置电流应用的情况下,应该选择大尺寸的磁珠,其阻抗特性会更好一些。

让我们来看一下磁珠在高频工作时的情形。

1206尺寸的磁珠其1GHz下的阻抗从100MHz下的600ohm大幅减小为105ohm,而0402尺寸的磁珠其1GHz下的阻抗则只由100MHz下的600ohm小幅减小为399ohm。

这也就是说,在低频大偏置电流的情况下,我们应该选择较大尺寸的磁珠,而在高频应用中,我们应该尽量选择小尺寸的磁珠。

至于为什么大小磁珠会表现为如此特性,希望看了前面磁珠特性的读者会自己找到答案。


EMC磁珠到底是什么特性?(4)

让我们再来看一下下面两个不同曲线特征的磁珠A和磁珠B应用于信号线时的情况。

磁珠A和磁珠B的阻抗峰值都在100MHz和200MHz之间,但磁珠A阻抗频率曲线比较平坦,磁珠B则比较陡峭。

我们将两个磁珠分别放在如下的20MHz的信号线上,看看对信号输出会产生什么样的影响。


波形测试点

下面是用示波器分别量测磁珠输出端的波形图

从输出波形来看,磁珠B的输出波形失真要明显小于磁珠A。

原因是磁珠B的阻抗频率波形比较陡峭,其阻抗在200MHz时较高,只对200MHz附近的信号的衰减较大,但对频谱很宽的方波波形影响较小。而磁珠A的阻抗频率特性比较平坦,其对信号的衰减频谱也比较宽,因此对方波的波形影响也较大。

下面是上述三种情况对应的EMI测试结果。结果是磁珠A和磁珠B都会对EMI噪声产生很大的衰减。磁珠A在整个EMI频谱范围内的衰减要稍好于磁珠B。

因此,在具体选用磁珠时,阻抗频率特性平坦型的磁珠A比较适合应用于电源线,而频率特性比较陡峭的磁珠B则较适合应用于信号线。磁珠B在应用于信号线时,可以在尽量保持信号完整性的情况下,尽可能只对EMI频率附近的噪声产生最大的衰减。


EMC磁珠到底是什么特性?(5)

EMC磁珠应用于电子线路中抑制EMI,主要有两种应用: 1.最常见用于电源线。2.用于信号线像音频,视频线等。那应该如何根据实际应用从千万种不同特性的EMC磁珠中选择合适的磁珠用于自己的系统设计呢?


向前面所述,如果要选用磁珠用于电源线,应该做如何选择呢?


首 先,要知道开关电源的工作频率。通常大多数开关电源工作于几百KHz,少数的可以工作到几MHz. 这个频率基本上是在传导辐射的频率范围。对于起始于30MHz辐射频率来讲,属于低频的范围。一般来讲,电源产生的辐射EMI噪声,通常在小于 100MHz-300MHz范围. 因此,选择磁珠用选用峰值频率小于300MHz低频型的磁珠。


其次,就是要知道电源的工作电流。对于哪些放置于开关或非直流信号的磁珠,通常要讲交流信号转换有效值,以此来选择磁珠的额定电流。


对于用于电源线磁珠尺寸,像我们前面讲到的,在满足排版空间设计要求情况下,要尽量选用大尺寸的磁珠。


用于电源线的磁珠,DCR是十分关键的参数,特别是对于电池供电的便携式设备,像手机,平板电脑等。应尽量选用DCR小的磁珠用于电源线,以提高电源效率。


当然,从抑制EMI的角度来讲,磁珠的峰值阻抗越高越好。但通常,磁珠的阻抗与DCR成反比关系。需哟根据实际的应用情况,在DCR和阻抗间做一折中选择。


最后,就像前面所讲的,磁珠的阻抗曲线要尽量平坦,以最大限度的滤除电源的高次谐波噪声。


EMC磁珠到底是什么特性?(6)


假如磁珠用于信号线,那应该如何选择磁珠的种类呢?

首先,我们应该知道磁珠要用于何种信号线,比如是音频,视频还是其他。这也就是说应该知道信号的工作频率。原则上,磁珠的阻抗峰值频率应至少高于信号的有效带宽,否则会影响影响信号完整性,从而影响系统的正常工作。即使对于像音频之类的低频信号,因为音频信号通常是由音频解码器解码而来,其EMI噪声通常是音频解码器的几十MHz的时钟频率谐波。因此,即使是低频的音频信号,其EMI噪声通常也会是高达几十甚至几百MHz的高频噪声。

其次,要知道信号电流。对于大多数信号而言,像视频,RS232等,仅仅是信号而已,并没有太大的电流输出,因此通常不需要考虑磁珠的额定电流。但对于音频信号,通常是有功率输出的,此时磁珠的选择就要考虑输出电流。此时要将音频信号折算成有效值来选取适当额定电流的磁珠。

峰值阻抗应选择在可能出现EMI问题的频率点附近。

用于高速信号的磁珠要注意阻抗匹配,比如用于视频信号线的磁珠阻抗在100MHz左右要在50欧姆左右。

用于信号线的磁珠,通常不需要考虑磁珠DCR,磁珠的尺寸要越小越好。

最后就是磁珠的阻抗曲线要尽量陡峭,以免影响信号完整性。

小磁珠,大学问!

但愿这几篇拙文能够给广大读者有些帮助。

本文由电子工程专辑专家博主“丁国勇”原创,未经其本人允许不得转载!

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