濾波器系列（九）：磁珠的基礎(chǔ)知識(shí)
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(jī)械性能與陶瓷相似，顏色為黑色，也稱為鐵氧體磁珠。
圖1：插件鐵氧體磁珠
01、磁珠的工作原理
磁珠主要用于抑制信號(hào)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(shí)磁珠就類似一個(gè)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(shí)，通過電阻成分轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。
圖2：磁珠的電路符號(hào)
02、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。
圖3：片狀鐵氧體磁珠的典型結(jié)構(gòu)（傳統(tǒng)型）
03、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)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。
圖4：貼片繞線磁珠
圖6：貼片磁珠排
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，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(diǎn)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(gè)量級(jí)，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(hào)磁珠特性為某一個(gè)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(duì)有用信號(hào)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。
圖7：尖峰型磁珠的阻抗曲線
04、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。
磁珠阻抗是在特定條件下(100MHz頻率)測得，常見標(biāo)識(shí)為600ohm@100MHz，表示磁珠在100MHz頻率下，阻抗是600ohm。通常是阻抗越大，對(duì)噪聲的抑制效果越好，阻抗越大，噪聲通過時(shí)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(rèn)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(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，磁珠阻抗是交流阻抗。
圖5：600ohm磁珠的阻抗曲線
直流電流通過磁珠時(shí)，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(duì)有用信號(hào)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。
額定電流是磁珠關(guān)鍵參數(shù)之一，指電路正常工作時(shí)允許通過磁珠的最大電流。磁珠的直流電阻會(huì)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）。
圖6：額定電流與溫度關(guān)系曲線
由上圖可知，當(dāng)磁珠的溫度超過85℃時(shí)，它的額定電流也會(huì)急劇下降，使用磁珠時(shí)應(yīng)關(guān)注磁珠的溫度做降額使用。
隨著偏置電流的增大，磁珠材料會(huì)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。
圖7：偏置電流與阻抗關(guān)系曲線
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(shí)，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(shí)，會(huì)感應(yīng)電動(dòng)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。
圖8：磁珠損耗示意圖
05、磁珠等效電路
磁珠的等效電路是一個(gè)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。
圖8：磁珠電路等效模型當(dāng)磁珠工作頻率低于自諧振頻率時(shí)，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(shí)，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(shí)磁珠呈現(xiàn)容性。
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