一、磁珠（Ferrite Bead）基礎(chǔ)知識

磁珠是EMC工程師常用的濾波器件，用來抑制電路中的高頻噪聲。磁珠的主要成分是鐵氧體材料，鐵氧體是一種立方晶格結(jié)構(gòu)的亞鐵磁性材料，鐵氧體材料分為鐵鎂合金或者鐵鎳合金，制造工藝和機械性能與陶瓷相似，顏色為黑色，也稱為鐵氧體磁珠。

磁珠的工作原理

磁珠主要用于抑制信號線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，具有吸收瞬態(tài)高頻脈沖的能力。在低頻段，磁芯的磁導(dǎo)率很高，電感量較大，主要是電感成分在起作用，電磁干擾噪聲被反射回到源端，此時磁珠就類似一個低損耗，高Q值的電感。在高頻段，阻抗主要由電阻成分構(gòu)成，隨著頻率升高磁芯的磁導(dǎo)率降低，導(dǎo)致感性成分降低，電感量下降，而磁芯的損耗增加，電阻成分變大阻抗增加，當(dāng)高頻電流流過鐵氧體磁珠時，通過電阻成分轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。

磁珠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

磁珠由線圈、鐵氧體磁芯、外面的鍍層、封裝構(gòu)成，片狀鐵氧體磁珠的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示：磁珠從結(jié)構(gòu)上跟電感基本相似，主要是磁芯、線圈的匝數(shù)上差異。

磁珠的分類

磁珠根據(jù)使用的磁芯材料不同、封裝結(jié)構(gòu)不同、應(yīng)用場合不同等分類

根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)分類

根據(jù)磁珠的封裝分為：貼片磁珠、插件磁珠。貼片磁珠又分為單體貼片磁珠、磁珠排，根據(jù)繞線方式分為片狀磁珠、繞線磁珠。插件磁珠分為穿心磁珠、普通插件磁珠等。

根據(jù)使用材料分類

根據(jù)磁珠制造的鐵氧體材料不同分為：鐵鎂合金磁珠、鐵鎳合金磁珠。不同的鐵氧體材料磁導(dǎo)率μ和磁通密度BS參數(shù)影響磁珠的頻率特性。

根據(jù)磁珠的應(yīng)用場合分類

根據(jù)磁珠的應(yīng)用場合，大致可將磁珠分為普通型、大電流型、尖峰型等。

普通型：普通型磁珠用于電流不太大（一般小于600mA），無特殊要求的場合，它的直流電阻一般為零點幾歐姆，阻抗范圍一般為幾十歐姆到幾千歐姆之間，能有效抑制、吸收噪聲干擾。

大電流型：大電流型磁珠應(yīng)用于電流較大的場合，應(yīng)用于電流場合磁珠要求直流電阻必須很小，約小于普通型磁珠一個量級，阻抗一般也較小，阻抗范圍通常是幾歐姆到幾十歐姆之間。

尖峰型：此型號磁珠特性為某一個頻率范圍內(nèi)其阻抗急劇上升，從而在特定頻率獲得較高的衰減效果而對有用信號的影響較小根據(jù)磁珠制造的鐵氧體材料不同分為：鐵鎂合金磁珠、鐵鎳合金磁珠。不同的鐵氧體材料磁導(dǎo)率μ和磁通密度BS參數(shù)影響磁珠的頻率特性。

磁珠的主要參數(shù)

磁珠的主要參數(shù)包含：阻抗、直流電阻（DCR）、額定電流、諧振頻率、損耗等。

阻抗

磁珠阻抗是在特定條件下(100MHz頻率)測得，常見標(biāo)識為600ohm@100MHz，表示磁珠在100MHz頻率下，阻抗是600ohm。通常是阻抗越大，對噪聲的抑制效果越好，阻抗越大，噪聲通過時產(chǎn)生的熱量就越大。

磁珠阻抗用100MHz頻率下測試結(jié)果表示，是業(yè)界認同的標(biāo)準(zhǔn)，磁珠阻抗并不是固定的，是隨著頻率的變化，以及隨著電流的變化阻抗都會相應(yīng)的發(fā)生變化，磁珠阻抗是交流阻抗。

直流電阻（DCR）

直流電流通過磁珠時，磁珠呈現(xiàn)的電阻值，磁珠的直流電阻是越小越好，越小在磁珠上產(chǎn)生的壓降就越小，對有用信號的衰減也越小。磁珠的直流電阻由導(dǎo)線長度、繞線線徑、封裝共同決定。

額定電流（IRAT）

額定電流是磁珠關(guān)鍵參數(shù)之一，指電路正常工作時允許通過磁珠的最大電流。磁珠的直流電阻會產(chǎn)生損耗而發(fā)熱，磁珠能通過的最大電流，可以理解為有效值，它指溫升電流，自我溫升不超過20—40℃（不同廠家有差別）。

額定電流與溫度的關(guān)系曲線

由上圖可知，當(dāng)磁珠的溫度超過85℃時，它的額定電流也會急劇下降，使用磁珠時應(yīng)關(guān)注磁珠的溫度做降額使用。

偏置電流對磁珠的影響

隨著偏置電流的增大，磁珠材料會出現(xiàn)飽和特性，導(dǎo)致鐵氧體磁珠電感下降，電感的飽和程度根據(jù)磁芯材料不同。直流偏置電流的影響可通過不同頻率下阻抗值的減少來確定，阻抗降低意味著噪聲抑制能力的下降，下圖顯示鐵氧體磁珠阻抗如何隨著直流偏置電流的變化而改變。

磁珠的損耗

磁珠的損耗主要為鐵芯損耗，鐵芯損耗=磁滯損耗+渦流損耗。磁滯損耗：鐵磁材料在交變磁場作用下反復(fù)磁化時，內(nèi)部磁疇不停的往返倒轉(zhuǎn)而消耗能量，產(chǎn)生損耗，這種損耗稱為磁滯損耗，磁滯損耗和磁場交變頻率及磁滯回線的面積成正比。

渦流損耗：鐵磁滯材料中的磁通交變時，會感應(yīng)電動勢和電流，電流呈旋渦狀稱為渦流電流，渦流在鐵磁材料的內(nèi)部電阻上產(chǎn)生損耗，稱為渦流損耗。

磁珠等效電路

磁珠的等效電路是一個直流電阻（DCR）串聯(lián)一顆電感、電容、電阻的并聯(lián)，其中并聯(lián)的電阻、電容、電感都是頻率的函數(shù)，感抗、容抗受工作頻率影響很大。

當(dāng)磁珠工作頻率低于自諧振頻率時，磁珠呈現(xiàn)電感特性；當(dāng)磁珠工作頻率等于自諧振頻率時，磁珠是純電阻特性，阻抗最大；當(dāng)磁珠工作頻率高于自諧振頻率時磁珠呈現(xiàn)容性。

磁珠的命名規(guī)則

目前磁珠的型號命名方法，業(yè)界沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)廠家通常會采用自家命名規(guī)則。一般都會給出尺寸、材料、阻抗、包裝方式等信息，下圖是村田貼片磁珠的命名規(guī)則。

二、磁珠的應(yīng)用場景

在EMC問題分析與調(diào)試，磁珠被廣泛的使用，磁珠主要用于抑制開關(guān)電源環(huán)路中高頻電流噪聲，抑制開關(guān)電源電路中寄生參數(shù)引起的寄生振蕩；磁珠也被用于抑制時鐘信號的高次諧波干擾，以及與電容組成低通濾波器。

磁珠有時用于抑制抗擾度試驗時，外部端口耦合的脈沖噪聲干擾，以及用于不同參考地平面之間的連接，做頻率選擇。

磁珠在DC-DC電路高頻電流環(huán)路中的應(yīng)用

DC-DC功率電流環(huán)路存在高頻電流噪聲，高頻電流噪聲環(huán)路面積大小、噪聲電流的大小決定了輻射發(fā)射測試結(jié)果。EMC調(diào)試時通常會在高頻電流環(huán)路中增加磁珠來抑制高頻噪聲，

具體磁珠的使用參考下圖所示：

DC-DC電路中功率器件的寄生電容與環(huán)路中的寄生電感，容易發(fā)生高頻寄生振蕩，產(chǎn)生高頻噪聲，EMC調(diào)試時通常也會在高頻環(huán)路中增加磁珠來抑制寄生振蕩，具體磁珠的使用可以參考下圖所示：

磁珠用于芯片不同模塊電源之間的噪聲隔離

SOC芯片由于高速集成，內(nèi)部模塊電路眾多，不同模塊電路可能使用相同的供電電壓，為防止不同模塊間的噪聲干擾通過供電電源串?dāng)_耦合，通常做法是在不同模塊電源之間用磁珠隔離，抑制模塊間噪聲耦合。

磁珠用于不同電路模塊供電電源之間的噪聲隔離

不同的電路模塊、不同類型信號處理芯片使用相同的供電電源時，為了防止噪聲通過電源線耦合到不同的電路模塊，通常做法是在不同電路模塊的供電電源之間用磁珠隔離，抑制模塊間噪聲耦合。

磁珠用于不同電路模塊供電電源之間的噪聲隔離

磁珠在AC電源電路中的應(yīng)用

在隔離開關(guān)電源的高壓側(cè)、低壓側(cè)，為抑制環(huán)路中的高頻電流噪聲，通常會在環(huán)路中增加串聯(lián)磁珠，抑制高頻噪聲干擾。主要應(yīng)用場景包括反激電路、Boost電路、LLC電路、Boost電路等，具體情況應(yīng)根據(jù)實際調(diào)試結(jié)果而定，非必要對策。

磁珠在有源晶振濾波中的應(yīng)用

有源晶振輸出是方波信號，存在豐富的高次諧波，高次諧波的耦合路徑主要是其供電電源和輸出時鐘信號，通常會在其供電電源增加磁珠低通濾波器，濾除其高次諧波噪聲。

磁珠在時鐘信號濾波中的應(yīng)用

時鐘信號，尤其是方波時鐘信號，存在豐富的高次諧波，使用RC濾波時，電阻阻值的參數(shù)選擇空間有限，需要使用磁珠濾除高頻噪聲干擾，下圖是典型的應(yīng)用電路。

磁珠在時鐘信號濾波中的應(yīng)用

磁珠在數(shù)字功放電路中的應(yīng)用

在數(shù)字功放輸出端通常采用電感電容組成的LC低通濾波器，濾除數(shù)字功放芯片產(chǎn)生的高頻噪聲，由于電感寄生電容的影響，高頻噪聲被耦合到后級，通過喇叭線形成天線效應(yīng)向外空間輻射。

在LC電路之后增加磁珠可以有效濾除通過喇叭線耦合噪聲，也可以有效濾除通過濾波電容耦合的高頻地噪聲，具體電路如下圖所示：假貼電阻位置可以隔斷加焊磁珠。

磁珠在不同模塊電路地隔離中的應(yīng)用

不同電路模塊之間共參考地平面時，容易發(fā)生共地環(huán)路耦合，設(shè)計工程師們通常使用磁珠連接兩個不同的參考地平面，利用磁珠通低頻阻高頻的特性，抑制高頻噪聲電流在不同模塊電路之間的傳遞。

三、磁珠的選型

磁珠選型時應(yīng)了解需要抑制的噪聲頻率范圍，磁珠工作電路的額定電流，噪聲回路的阻抗特性，磁珠應(yīng)用電路的特性，應(yīng)用環(huán)境，磁珠的封裝。

磁珠的封裝選型

根據(jù)磁珠的應(yīng)用場景不同，選擇合適封裝的物料，可以合理降低成本，優(yōu)化PCB設(shè)計，錯誤的封裝選型，影響濾波性能的同時，還降低了電路的可靠性。

通常磁珠的結(jié)構(gòu)尺寸越大，承受的電流越大?？紤]到磁珠制造工藝，及應(yīng)用場合影響，高壓大電流電源濾波通常使用插件磁珠、信號線、低電壓小電流電源使用貼片磁珠。

     

        

磁珠的參數(shù)選型

磁珠參數(shù)選擇主要關(guān)注磁珠額定電流、直流阻抗（DCR）、阻抗頻率曲線。

磁珠額定電流選擇

磁珠規(guī)格書通常都會給出額定電流參數(shù)，正常使用時，電路工作電流不能超過磁珠的額定電流，否則可能燒壞磁珠。磁珠的額定電流是溫升電流，一般指自我溫升不超過20℃到40℃的電流，不同的廠家標(biāo)注會有些差異。

廠家提供的磁珠阻抗頻率曲線，一般是在很小偏置電流下測得，而電流對磁珠的阻抗影響很大。在通過大電流時，隨著偏置電流的增大，磁性材料會出現(xiàn)飽和的特性，導(dǎo)致L降低，從而導(dǎo)致工作區(qū)域的偏移，會影響到噪聲的抑制效果，磁珠阻抗隨電流變化曲線如下圖所示：

電感的飽和電流大家一定會關(guān)注，而磁珠的額定電流通常會大于飽和電流，造成即使在額定電流范圍內(nèi)使用，磁珠也會出現(xiàn)飽和的情況，阻抗頻率曲線也會發(fā)生偏移。

磁珠的阻抗選擇

磁珠的阻抗是噪聲抑制的關(guān)鍵參數(shù)，怎樣選擇合適阻抗的磁珠容易被忽略。有時錯誤的認為阻抗越大越好，600ohm阻抗的磁珠一定比220ohm阻抗的磁珠噪聲抑制效果好，其實并非如此。

正確選擇合適阻抗的磁珠，應(yīng)該查閱磁珠規(guī)格書上的阻抗曲線，并結(jié)合抑制噪聲干擾的頻點，選擇在噪聲頻點阻抗較大的型號，而不是選擇標(biāo)稱值阻抗大的型號。阻抗選擇時還應(yīng)考慮有用信號的衰減最小原則，對于抑制寬帶噪聲干擾的磁珠，還要考慮磁珠在一定頻帶內(nèi)的阻抗。

【知識要點說明】：

開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲通常是寬帶噪聲，電源上用選下圖藍色的，"矮胖型"，更為平滑，頻點寬，濾波效果更好。時鐘信號產(chǎn)生的噪聲通常是窄帶噪聲，信號線上用選下圖綠色的，"瘦高型"，對有用信號衰減小，對噪聲頻點衰減大。

直流電阻的選擇

直流電阻對磁珠的濾波效果影響較小，直流電阻對磁珠的溫升影響很大，磁珠的阻抗曲線與溫升強相關(guān)。選擇合適直流電阻的磁珠對濾波性能影響很大，實際應(yīng)用中希望磁珠的直流電阻越小越好，阻抗則越大越好。由磁珠的制造工藝可知，磁珠阻抗越大則其直流電阻就越大。

磁珠選型注意事項

額定電流的降額

磁珠的工作電流超過額定電流會損壞磁珠，磁珠實際工作電流接近額定電流，會降低磁珠抑制噪聲的效果。磁珠額定電流的降額業(yè)界沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，強烈的推薦工作電流小于額定電流的70%。

磁珠分布電容的影響

磁珠自身的雜散電容降低了磁珠的高頻濾波效果，磁珠的雜散電容與磁珠的制造工藝高度相關(guān)。對于應(yīng)用于低頻濾波的磁珠，雜散電容的影響幾乎可以忽略，應(yīng)用于高頻濾波的磁珠，雜散電容的影響就很大。

采用臥式電極結(jié)構(gòu)，分布電容偏大，磁珠的自諧振點也相對偏低，高頻濾波效果相對較差，下圖是采用臥式電極結(jié)構(gòu)磁珠的阻抗頻率曲線。

【重要知識點】：

濾波頻段范圍30MHz-750MHz,高頻特性相對較差。

采用立式電極結(jié)構(gòu)，分布電容相對較小，磁珠的自諧振點也相對偏高，高頻濾波效果相對較好，下圖是采用立式電極結(jié)構(gòu)磁珠的阻抗頻率曲線。

【重要知識點】：

濾波頻段范圍30MHz-1000MHz,高頻特性相對較高，磁珠的高頻特性拓展到1GHz以后，通過工藝的改進也很難再大幅度的提升高頻特性。

磁珠應(yīng)用場景安全性

磁珠應(yīng)用在不同場景下，除關(guān)注電氣參數(shù)、降額要求之外。應(yīng)用在高壓大電流場景下的磁珠關(guān)注應(yīng)力損壞、損傷引起的打火，起火的風(fēng)險。

應(yīng)用在高壓大電流場合下，避免使用上圖封裝的貼片磁珠，上圖封裝磁珠在受到應(yīng)力損傷、兩端產(chǎn)生壓差時很容易打火，引起高壓部分起火，導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題。

應(yīng)用在高壓大電流場合下建議選擇如圖所示封裝的貼片磁珠，或者選擇插件磁珠，避免應(yīng)力損傷時，大電流流過時產(chǎn)生高壓打火，引起著火安規(guī)問題。

【重要知識點】

應(yīng)用在高壓大電流場合下，優(yōu)選插件磁珠，次選貼片磁珠。

磁珠使用常見問題

正確的使用磁珠可以有效解決EMC問題，不正確的使用磁珠即使解決了EMC問題，也可能電氣性能的隱患，針對使用磁珠使用中的問題整理如下：

諧振效應(yīng)

在低頻段，阻抗主要由電感構(gòu)成，磁珠類似于一個低損耗，高Q值特性的電感，容易發(fā)生諧振，有時增加磁珠后出現(xiàn)諧振頻率。解決措施是更換不同類型、不同規(guī)格磁珠、增加增加電容破壞寄生振蕩。

增加不同容值電容解決磁珠產(chǎn)生的諧振頻率

直流偏置重疊

磁珠有直流重疊特性，當(dāng)電流流過時，需要特別注意由于磁飽和所造成的性能改變，從下圖可以看出，通過磁珠的電流增大時，其阻抗會下降，阻抗下降意味著濾波性能的會變差，電流減小時，阻抗又會變大，濾波性能恢復(fù)，所以使用磁珠時，要考慮額定電流和阻抗兩個參數(shù)。

磁珠產(chǎn)生電壓過沖損壞DC-DC芯片

磁珠在DC-DC電路中的錯誤應(yīng)用

磁珠在低頻時具有電感特性，當(dāng)流過磁珠的電流發(fā)生突變時，磁珠兩端就會產(chǎn)生反向電動勢抑制流過磁珠的突變電流，當(dāng)反向尖峰電壓超過DC-DC芯片供電電源電壓范圍時，就會造成DC-DC芯片因輸入過壓而損壞。

上圖為抑制通過DC-DC輸入電源引腳耦合的噪聲干擾，在DC-DC輸入電源引腳上直接串聯(lián)磁珠，高頻噪聲電流流過磁珠時產(chǎn)生的高頻電壓尖峰超過DC-DC供電電源的額定電壓，造成DC-DC芯片過壓擊穿損壞。

【重要知識點】

在DC-DC輸入端串聯(lián)磁珠抑制高頻電流噪聲時，一定要靠近輸入電源引腳先經(jīng)過電容濾波后，再通過磁珠濾波，最好是如上圖所示的π型濾波電路。

磁珠產(chǎn)生電壓尖峰存在損壞芯片風(fēng)險

某芯片I2S信號中的I2S_MCLK信號存在過沖，高次諧波非常豐富，導(dǎo)致輻射發(fā)射多個頻點余量不足。EMC調(diào)試時發(fā)現(xiàn)需要增加低通濾波器，濾除其高次諧波干擾。

信號未增加低通濾波器初始波形

發(fā)現(xiàn)使用磁珠+電容，在濾波電容參數(shù)固定的情況下，使用不同參數(shù)的磁珠，信號過沖存在較大差異，磁珠阻抗越高，越逼近芯片額定電壓的上限。

信號增加300ohm磁珠+22pF電容組成低通濾波器波形

信號增加120ohm磁珠+22pF電容組成低通濾波器波形

【重要知識點】

使用磁珠、電感組成LC濾波電路時，由于流過電感電流不能突變的特性，電感、磁珠都會產(chǎn)生反向電壓尖峰，需要關(guān)注反向電壓尖峰對電路中其它器件的影響。

附錄（一）：磁珠+電容濾波電路的優(yōu)化方案

使用磁珠+電容組成低通濾波電路時，由于磁珠具有電感特性，不可避免的會產(chǎn)生電壓尖峰，需要增加電阻來阻尼電感反射產(chǎn)生的電壓尖峰。

【理論分析】

RLC串聯(lián)電路，λ為電路阻尼系數(shù)，當(dāng)λ＜1時，電路是欠阻尼狀態(tài)；當(dāng)λ=1時，電路是臨界阻尼狀態(tài)；當(dāng)λ＞1時，電路是過阻尼狀態(tài)。

阻尼系數(shù)計算公式

加入電阻后電路仿真波形對比圖

附錄（二）：磁珠的失效模式

磁珠的失效模式主要包含：機械應(yīng)力、熱應(yīng)力兩種。

機械應(yīng)力：

作為導(dǎo)磁材料，磁珠脆性較強，在受到外部機械應(yīng)力（沖擊、碰撞、PCB翹曲）的時候，磁珠本體易出現(xiàn)裂紋。

熱應(yīng)力：

磁珠通過電流超過額定電流，產(chǎn)生的熱量不能及時散發(fā)，會導(dǎo)致磁珠整體受熱不均勻，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重時直接燒毀磁珠。

磁珠與電感不同，電感的工作電流超過額定電流時，電感值將迅速下降，但電感不會損壞，電流恢復(fù)到正常電流時，電感可以正常工作。而磁珠的工作電流超過額定電流時，磁珠會被燒毀，如上圖所示。