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电感和磁珠选型与应用(磁珠篇)
Cybermax电感
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发表于2019-08-02 10:55:08 | 只看该作者
1# 电梯直达

 

 

   磁珠选型与应用

 

 

 

珠的全称为铁氧体磁珠滤波器(另有一种是非晶合金磁性材料制作的磁珠),是一种抗干扰元件,滤除高频噪声效果显著。磁珠的主要原料为铁氧体。铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。铁氧体材料为铁镁合金或铁镍合金,它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似,颜色为灰黑色。磁珠有很高的电阻率和磁导率,他等效于电阻和电感串联,但电阻值和电感值都随频率变化。 他比普通的电感有更好的高频滤波特性,在高频时呈现阻性,所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗,从而提高调频滤波效果。

磁珠的电路符号就是电感,但是型号上可以看出使用的是磁珠。在电路功能上,磁珠和电感是原理相同的,只是频率特性不同而已。

一、 磁珠的型号命名方法(思博系列磁珠为例)

 

磁珠的型号一般由下列五部分组成第一部分:类别,多用字母表示

第二部分:尺寸,用数字表示(英制) 

第三部分:材料,用字母表示,其中X代表小型。 第四部分:阻抗,100MHz时阻抗 第五部分:包装方式,用字母表示 如某型号磁珠命名如下 

铁氧叠层片式磁珠(普通型) Ferrite chip beads 

尺寸:1005 04021608060320120805 

产品规格命名方法: 

              CMBM(CMBH) 1005/1608/ 2012 G    601    A         S P  

                                                  

   区分电流叠层片式   规格尺寸       材料    阻抗   额定电流    包装方式

应指出的是,目前磁珠型号命名方法各生产厂有所不同,尚无统一的标准。  

 

 

 

二、磁珠的结构特点  

铁氧体磁珠 (Ferrite Bead) 是目前应用发展很快的一种抗干扰组件,廉价、易用,滤除高频噪声效果显着。在电路中只要导线穿过它即可(我用的都是象普通电阻模样的,导线已穿过并胶合,也有表面贴装的形式,但很少见到卖的)。当导线中电流穿过时,铁氧体对低频电流几乎没有什么阻抗,而对较高频率的电流会产生较大衰减作用。高频电流在其中以热量形式散发,其等效电路为一个电感和一个电阻串联,两个组件的值都与磁珠的长度成比例。磁珠种类很多,制造商应提供技术指标说明,特别是磁珠的阻抗与频率关系的曲线。 有的磁珠上有多个孔洞,用导线穿过可增加组件阻抗(穿过磁珠次数的平方),不过在高频时所增加的抑制噪声能力不可能如预期的多,而用多串联几个磁珠的办法会好些。 

 铁氧体是磁性材料,会因通过电流过大而产生磁饱和,导磁率急剧下降。大电流滤波应采用结构上专门设计的磁珠,还要注意其散热措施。 铁氧体磁珠不仅可用于电源电路中滤除高频噪声(可用于直流和交流输出),还可广泛应用于其它电路,其体积可以做得很小。特别是在数字电路中,由于脉冲信号含有频率很高的高次谐波,也是电路高频辐射的主要根源,所以可在这种场合发挥磁珠的作用。 铁氧体磁珠还广泛应用于信号电缆的噪声滤除。

  

  

 

 

三、磁珠的单位  

磁珠的单位是欧姆,而不是亨特,这一点要特别注意。因为磁珠的单位是按照它在某一频率 产生的阻抗来标称的,阻抗的单位也是欧姆。磁珠的 DATASHEET上一般会提供频率和阻抗的特性曲线图,一般以100MHz为标准,比如600R@100MHz,意思就是在100MHz频率的时候磁珠的阻抗相当于600欧姆。  

四、磁珠器主要特性参数 

直流电阻DCResistance(mohm):直流电流通过此磁珠时,此磁珠所呈现的电阻值。

 额定电流RatedCurrent(mA):表示磁珠正常工作时的最大允许电流。 

阻抗[Z]@100MHz(ohm):这里所指的是交流阻抗。 

阻抗-频率特性:描述阻抗值随频率变化的曲线。

电阻-频率特性:描述电阻值随频率变化的曲线 

感抗-频率特性:描述感抗随频率变化的曲线。 

下图为Cybermax磁珠特性参数及频率特性曲线:

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五、磁珠的分类及选型 

磁珠的主要原料为铁氧体。铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。铁氧体材料为铁镁合金或铁镍合金,它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似,颜色为灰黑色。电磁干扰滤波器中经常使用的一类磁芯就是铁氧体材料,许多厂商都提供专门用于电磁干扰抑制的铁氧体材料。这种材料的特点是高频损耗非常大,具有很高的导磁率,他可以是电感的线圈绕组之间在高频高阻的情况下产生的电容最小。对于抑制电磁干扰用的铁氧体,最重要的性能参数为磁导率μ和饱和磁通密度Bs。磁导率μ可以表示为复数,实数部分构成电感,虚数部分代表损耗,随着频率的增加而增加。因此,它的等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路,L和R都是频率的函数。当导线穿过这种铁氧体磁芯时,所构成的电感阻抗在形式上是随着频率的升高而增加,但是在不同频率时其机理是完全不同的。

在低频段,阻抗由电感的感抗构成,低频时R很小,磁芯的磁导率较高,因此电感量较大,L起主要作用,电磁干扰被反射而受到抑制,并且这时磁芯的损耗较小,整个器件是一个低损耗、高Q特性的电感,这种电感容易造成谐振因此在低频段,有时可能出现使用铁氧体磁珠后干扰增强的现象。

在高频段,阻抗由电阻成分构成,随着频率升高,磁芯的磁导率降低,导致电感的电感量减小,感抗成分减小但是,这时磁芯的损耗增加,电阻成分增加,导致总的阻抗增加,当高频信号通过铁氧体时,电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。
  铁氧体抑制元件广泛应用于印制电路板、电源线和数据线上。如在印制板的电源线入口端加上铁氧体抑制元件,就可以滤除高频干扰。铁氧体磁环或磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰,它也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。
  两个元件的数值大小与磁珠的长度成正比,而且磁珠的长度对抑制效果有明显影响,磁珠长度越长抑制效果越好。

    根据磁珠的应用场合,大致可将磁珠分为普通型、大电流型、尖峰型等。 普通型:普通型磁珠用于电流不太大(一般小于600mA),无特殊要求的场合,它的直流电阻一般为零点几个欧姆。能有效地抑制、吸收电子设备的电磁干扰和射频干扰。其阻抗范围一般为几欧到几千欧范围内。 大电流型:此型号磁珠应用于要求较大电流的场合,由于其应用于大电流的场合,因此就要求它的直流电阻必须很小,约小于普通型磁珠一个数量级,而其阻抗值一般也较小。 

尖峰型:此型号的磁珠特性为在某一个频率区域内,其阻抗急剧上升,从而在特定的频率区域内可获得较高的衰减效果而对信号不产生影响。

 

 ()磁珠的选型 

磁珠主要用于EMI差模噪声抑制,他的直流阻抗很小,在高频下却有较高阻抗,一般说的600R是指100MHZ测试频率下的阻抗值。选择磁珠应考虑两方面:一是电路中噪声干扰的情况,二是需要通过的电流大小。要大概了解噪声的频率、强度,不同的磁珠的频率阻抗曲线是不同的,要选在噪声中心频率磁珠阻抗较高的那种。噪声干扰大的要选阻抗高一点的,但并不是阻抗越高越好,因为阻抗越高DCR也越高,对有用信号的衰减也越大。但一般也没有很明确的计算和选择的标准,主要看实际使用的效果,120R-600R之间都很常用。然后要看通过电流大小,如果用在电源线部分则要选额定电流较大的型号,用在信号线部分则一般额定电流要求不高。另外磁珠一般是阻抗越大额定电流越小。磁珠的选择要根据实际情况来进行。比如对于3.3V300mA电源,要求3.3V不能低于3.0V,那么磁珠的直流电阻DCR就应该小于1R,这种情况一般选择0.5R,防止参数漂移。对噪声的抑止能力来说,如果要求对于100MHZ的、300mVpp的噪声,经过磁珠以后达到50mVpp的水平,假设负载为45欧姆,那么就应该选225R@100Mhz,DCR<1R的磁珠, 225R又是怎么算出来的?

   (45ohm/50mV)*250mV=225ohm 

 

 

首先你要知道你要滤除的噪声的频段,然后选一个在该频段选一个合适的阻抗(实际的可以通过仿真得出大概要多大,仿真模型可以向厂商要),第二步确定该电路通过的最大电流,电路流过的电流确定了也意味着你要选多大额定电流的磁珠,接下来是确定磁珠的DCR(直流阻抗),根据后一级电路电压供电的范围就能算出允许的磁珠的DCR的范围。封装可以根据情况选择。但要注意的是,磁珠的阻抗在你加电压后和规格书上的有点差别。 

  要正确的选择磁珠,必须注意以下几点:    

1、不需要的信号的频率范围为多少; 

2、噪声源是谁; 

3、需要多大的噪声衰减; 

4、环境条件是什么(温度,直流电压,结构强度);    

5、电路和负载阻抗是多少; 

6、是否有空间在PCB板上放置磁珠; 

前三条通过观察厂家提供的阻抗频率曲线就可以判断。 

 

六、磁珠的封装                                                                           

 磁珠封装一般包括贴片磁珠和插件磁珠。

 

 

 

 

 

铁氧体贴片电感和贴片磁珠类产品的外形封装基板一致。分为公制封装和英制封装两种。
封装即规格尺寸的代号或简写。以下收集整理了国内外主要电感磁珠品牌外形尺寸示意图,仅供选型和采购参考。

    

 

 

 

七、磁珠的作用 

 

 磁珠的外形与电感相似,其主要功能简单来说就是是受电源、信号上的噪声等干扰。 

  在低频段,阻抗由电感的感抗构成。低频时 R 很小。磁芯的磁导率辏高,因此电感量较大, L 起主要作用,电磁干扰被反射而受到抑制,并且这时磁芯的损耗较小.整个器件是一个低损耗,高 Q 特性的电感。这种电感容易造成谐振.因此在低频段有时可能出现使用铁氧体磁珠后.干扰增强的现象。 

  在高频段,阻抗由电阻成分构成,随着频率升高,磁芯的磁导率降低,导致电感的电感量减小,感抗成分减小。这时磁芯的损耗增加,电阻成分增加,导致总的阻抗增加。当高频信号通过铁氧体时,电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。 

  铁氧体磁珠广泛应用于印制电路板,如在印制板的电源线入口端套 .上磁珠 ( 较大的磁环 ) ,就可以滤除高频干扰。铁氧体磁环或磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰。它也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。 

  电感是储能元件,而磁珠是能量转换 ( 消耗 ) 器件。电感多用于电源滤波回路,侧重于抑制传导性干扰;磁珠多用于信号回路,主要用于 EMI( 电磁兼容 ) 方面。磁珠用来吸收超高频信号,例如在一些 RF 电路、 PLL 、振荡电路、含超高频存储器电路等。都需要在电源输入部分加磁珠。  

 

 

八、磁性元件的降额 

 

说明: 

  1. 对于网络变压器,因通常都可以满足降额要求,故不考虑降额;

  2. 磁性器件包括磁珠。  

 

 

九、磁珠的选择考虑要素 

 

1.磁珠种类很多,制造商应提供技术指标说明,特别是磁珠的阻抗与频率关系的曲线

2.有的磁珠上有多个孔洞,用导线穿过可增加组件阻抗(穿过磁珠次数的平方),不过在高频时所增加的抑制噪声能力不可能如预期的多,而采用多串联几个磁珠的办法。  

3.铁氧体是磁性材料,会因通过电流过大而产生磁饱和,导磁率急剧下降。大电流滤波应采用结构上专门设计的磁珠,还要注意其散热措施。  

4.铁氧体磁珠不仅可用于电源电路中滤除高频噪声(可用于直流和交流输出),还可广泛应用于其它电路,其体积可以做得很小。特别是在数字电路中,由于脉冲信号含有频率很高的高次谐波,也是电路高频辐射的主要根源,所以可在这种场合发挥磁珠的作用。  5.铁氧体磁珠还广泛应用于信号电缆的噪声滤除。 6.选择磁珠时需要注意磁珠的通流量,一般需要做降额处理,用在电源电路时要考虑直流阻抗对压降影响。 

 

 

八、磁珠与电感的不同


  电感是储能元件,而磁珠是能转换(消耗)器件。电感多用于电源滤波回路,侧重于抑止传导性干扰;磁珠多用于信号回路,主要用于EMI方面。磁珠用来吸收超高频信号,象一些RF电路,PLL,振荡电路,含超高频存储器电路(DDR,SDRAM,RAMBUS 等)都需要在电源输入部分加磁珠,而电感是一种储能元件,用在LC振荡电路、中低频的滤波电路等,其应用频率范围很少超过50MHz。  1.片式电感:在电子设备的PCB板电路中会大量使用感性元件和EMI滤波器元件。这些元件包括片式电感和片式磁珠,以下就这两种器件的特点进行描述并分析他们的普通应用场合以及特殊应用场合。表面贴装元件的好处在于小的封装尺寸和能够满足实际空间的要求。除了阻抗值,载流能力以及其他类似物理特性不同外,通孔接插件和表面贴装器件的其他性能特点基本相同。在需要使用片式电感的场合,要求电感实现以下两个基本功能:电路谐振和扼流电抗。谐振电路包括谐振发生电路,振荡电路,时钟电路,脉冲电路,波形发生电路等等。谐振电路还包括高Q带通滤波器电路。要使电路产生谐振,必须有电容和电感同 时存在于电路中。在电感的两端存在寄生电容,这是由于器件两个电极之间的铁氧体本体相当于电容介质而产生的。在谐振电路中,电感必须具有高Q,窄的电感偏差,稳定的温度系数,才能达到谐振电路窄带,低的频率温度漂移的要求。高Q电路具有尖锐的谐振峰值。窄的电感偏置保证谐振频率偏差尽量小。稳定的温度系数保证谐振频率具有稳定的温度变化特性。标准的径向引出电感和轴向引出电感以及片式电感的差异仅仅在于封装不一样。电感结构包括介质材料(通常为氧化铝陶瓷材料)上绕制线圈,或者空心线圈以及铁磁性材料上绕制线圈。在功率应用场合,作为扼流圈使用时,电感的主要参数是直流电阻(DCR),额定电流,和低Q值。当作为滤波器使用时,希望宽的带宽特性,因此,并不需要电感的高Q特性。低的DCR可以保证最小的电压降,DCR定义为元件在没有交流信号下的直流电阻。  2.片式磁珠:片式磁珠的功能主要是消除存在于传输线结构(PCB 电里)中的RF噪声,RF能量是叠加在直流传输电平上的交流正弦波成分,直流成分是需要的有用信号,而射频RF能量却是无用的电磁干扰沿着线路传输和辐射(EMI)。要消除这些不需要的信号能量,使用片式磁珠扮演高频电阻的角色(衰减器),该器件允许直流信号通过,而滤除交流信号。通常高频信号为30MHz以上,然而,低频信号也会受到片式磁珠的影响。片式磁珠由软磁铁氧体材料组成,构成高体积电阻率的独石结构。涡流损耗同铁氧体材料的电阻率成反比。涡流损耗随信号频率的平方成正比。

  



 


 

 

 

     

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