🗒️关于磁珠
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2023-10-17
2023-12-30
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在新产品研发设计阶段就需要考虑EMC设计问题,要比产品EMC测试不合格改进可以大大的节约费用,在功能设计时同时考虑EMC问题,到样机完成时通过EMC测试,是最省时间和最有经济效益的。
 
通过将片状磁珠串联插入容易成为噪音放射源的传输线路中,能够方便地发挥除去噪音的效果,因其有此便利性,片状磁珠被广泛用于各种设备中。现在用的最多的是铁氧体磁珠(Ferrite Bead),在原理图中通常用FB来表示。
磁珠在电路中用的非常多,下面是一些经常看到的知识点,或者说是经验吧。
1.电感的单位是亨利(H),磁珠的单位是欧姆。 2.电感在电路中主要是存储能量,磁珠则是通过发热消耗能量。 3.磁珠多是用来吸收高频噪声信号的,多用于信号线和EMC对策。
当然这些是我们知道的结论,要理解这些,就需要理解磁珠的工作原理。
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工作原理

磁珠的工作原理基本和电感相似,许多厂家也吧磁珠归入电感一类器件,那么其中的区别在哪呢?
在电感的使用中,我们通常希望他是理想电感,其损耗愈小愈好。而在磁珠的使用中,我们就是利用磁珠的损耗,消除掉我们不需要的高频分量。
同电感一样,磁珠同样存在铜损和铁损,即直流电阻和磁芯损耗,主要包括磁滞损耗和涡流损耗。

涡流损耗

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电流流过导线,会产生围绕导线的环形磁场,在导线上套上一个磁导率比较大的磁环,磁环内部就会有比较大的环形磁场B。如果电流是变化的,那么磁场B也是变化的。根据电磁感应定律,变化的磁场产生电场,并且这个电场是环形的电场。如上图所示,会在红色截面上产生环形的电场。这是如果磁环的电阻率不是无穷大,那么环形的电场就会产生环形的电流,也就是产生热量了,这个损耗叫涡流损耗。电磁炉就是典型的利用涡流产生热量的例子。
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我们实际中常用的磁珠是上面这种贴片式结构的,一样也是会有涡流损耗,道理跟上面差不多,利用导线在铁氧体(Ferrite Bead)上产生热量,将高频分量转换为热量,采用吉格斯构造能使得在GHz情况下有较好的效果。

磁滞损耗

磁芯在外磁场的作用下,材料中的一部分与外磁场方向相差不大的磁畴发生了‘弹性’转动,这就是说当外磁场去掉时,磁畴仍能恢复原来的方向;而另一部分磁畴要克服磁畴壁的摩擦发生刚性转动,即当外磁场去除时,磁畴仍保持磁化方向。因此磁化时,送到磁场的能量包含两部分:前者转为势能,即去掉外磁化电流时,磁场能量可以返回电路;而后者变为克服摩擦使磁芯发热消耗掉,这就是磁滞损耗。
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上图为典型的磁滞曲线,从前面磁滞损耗的理解来看。剩磁Br越小,那么磁畴的刚性转动越少,损耗就越小。或者说磁滞损耗正比于磁滞回线包围的面积。
在磁珠的损耗中,磁滞占据主要部分。

小结

电感和磁珠,本质上没什么区别,磁珠的磁芯损耗相对于电感要更多。关于电感和磁珠的曲线,其实是差不多的,都是倒“V”型的。
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只不过因为使用目的的不同,电感我们一般让其工作在感性区域,也就是远离谐振频率的频段,因此,它的单位是H。而磁珠工作在阻性区域,也就是谐振频率附近,因此他的单位是欧姆。
或者这么说,电感和磁珠,如果用数学公式表示阻抗的话,都是Z=R+jX。
电感,工作在X远大于R的频段,也就是X占大头,此时X主要是感抗,那么单位不就是亨了么。既然X分量占大头,R分量很小,因为只有R才能消耗能量,那就主要是储能的作用了。
磁珠,主要工作在R大于X的频段,R占大头,那么单位不就是欧姆了么。因为X分量占小头,储能很少,所以我们说磁珠主要是通过发热消耗能量的。
 

阻抗曲线

下面是一个典型的磁珠频率曲线,在大多数的厂家的磁珠规格书中,其曲线基本都是这样的。
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我们知道,Z表示阻抗,R表示电阻,X表示电抗。那么这三者是什么关系呢?
他们应该满足公式:Z=R+jX
然而我们却发现,上图中,在频率比较大时,X=0,这样的话不应该Z=R吗?可是曲线又没有重合,这是为什么呢?到底是公式出了问题还是别的什么原因呢?
曲线问题还是公式问题?
📌
结论:随着频率的增大,X会逐渐减小到0,此时对应频率为自谐振频率,后续随频率增大,X为负数,也就是呈容性,上面曲线是厂家没有画出自谐振频率之后的X而已,其并不等于0。
当然,这个结论是有所依据的,下图是对应是TDK的MPZ1608B471ATA00规格书中磁珠曲线,官网页面上面的频率曲线为下图,我直接把两种图放到一起对比下。
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可以看到,两者基本是一致的,只不过是网页中的曲线,画出了卸载频率之后的,也就是X为负数的那一部分。那么新的问题又产生了,为啥大部分厂家都不画出为负数的那一部分呢?
这个问题我也不清楚,只能是猜测磁珠一般工作频率不会应用到那么高,画不画也就无所谓了,不过这个解释比较牵强。
并且,我们如果上村田去查磁珠曲线,它们家的X都是正的,X应该是取得绝对值大小。
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R-X交叉点

片式磁珠是由电抗成份X和电阻成份R构成,X成份在支配领域中的作用是反射噪音,而R成份在支配领域中的作用则是将噪音吸收并转换成热能。
该R成份和X成份相等时的频率数即为R-X交叉点。而从R-X交叉点至阻抗峰值之间的频带,则能最有效地降低噪音。
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电气特性及选型

阻抗(100Mhz)、直流电阻 (Max.)、额定电流
阻抗(100Mhz)
磁珠的代表特性“阻抗”基本上是按100MHz的阻抗进行规定的。而能达到高频滤波效果的Gigaspira积层磁珠则也有按1GHz的阻抗进行规定的。
另外,即使100MHz的阻抗相等,但如选用铁氧体材料不同的片式磁珠,则可改变能有效应对噪音的频带。
直流电阻 (Max.)
一般标称阻抗大的,磁珠的DCR也大,于是导致过流能力也小。
如果是用在电源上面,那么需要看压降大小。一般来说,磁珠的DCR是零点几个欧姆,或者更小。电流太大的话,经过磁珠的压降比较大,所以需要看经过磁珠之后的供电电压是否足够。
比如对于3.3V/1A电源,要求3.3V不能低于3.1V,那么磁珠的直流电阻DCR就应该小于0.5R((3.3V-3.1V)/1A),留点裕量,选择0.3R以下的。
如果是用在信号线上面,电流通常很小,DCR那就无所谓了,都能满足要求。
额定电流
磁珠都有额定电流,正常使用时,电流不能超过额定电流,否则可能会烧坏。
磁珠的额定电流是温升电流,一般指自我温升不超过20-40℃的电流,不同的厂家标注会有些差异。
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如上图两种磁珠,标称阻抗都是120Ω,但是曲线差异很大。一般选型分为两种情况,电源上用还是信号线上用。
电源上用:选用蓝色的,“矮胖型”的,更为平滑,整个频带都有一定的阻抗,滤波效果更好。 信号线上用:选绿色,“瘦高型”的,因为我们需要保证有用信号通过,而去掉其高次谐波,瘦高型更好。假如有用信号为10Mhz,图中瘦高型磁珠阻抗是11欧姆,而那个矮胖型的是25Ω,那么瘦高型对有用信号10Mhz影响更小。而在高频,大于100Mhz以后,瘦高型阻抗更大,对不需要的高次谐波衰减更好,因此,信号线上使用瘦高型的磁珠更好。
📌
选择磁珠除了注意百兆阻抗、直流阻抗、额定电流外,还应该注意磁珠的使用类别。如高频高速磁珠,电源磁珠、普通信号磁珠。

电路模型

磁珠的模型分为简单的模型和复杂的模型,简单的模型也可以从TDK网上下载出来。
 
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而根据这个模型,总的阻抗Z的表达式:
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化成实部和虚部的表达式就是:
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对应到Z=R +jX里面
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通过Matlab绘制曲线发现与规格书中曲线相比趋势相同但总体形状还是差挺大的。
这是因为其提供的模型为简易模型,其复杂模型增加了更多的寄生参数,也更符合实际的器件。
下图是简易模型和复杂模型的对比。
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