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1、1磁珠的原理及应用深圳振华富电子有限公司陆松杰（13510017582） 王立忠（18923798018）一、磁珠的基本原理1.1 引言由于电磁兼容的迫切要求，电磁干扰(EMI)抑制元件获得了广泛的应用。然而实际应用中的电磁兼容问题十分复杂，单单依靠理论知识是完全不够的，它更依赖于广大电子工程师的实际经验。为了更好地解决电子产品的电磁兼容性这一问题，还要考虑接地、电路与 PCB 板设计、电缆设计、屏蔽设计等问题。本文通过介绍磁珠的基本原理和特性来说明它在电子设备的电磁兼容设计中的重要性与应用，以期为设计者在设计新产品时提供必要的参考。1.2 磁珠的特点 磁珠的主要原料为铁氧体。这种材料的特点是
2、高频损耗非常大，具有很高的导磁率，它可以使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。铁氧体磁珠通常应用于高频情况，因为在低频时它们损耗很小主要呈现电感特性。在高频情况下，它们主要呈现电抗特性并且随频率改变。磁珠实质上虽然是一个感性元件，但在功能、作用上与电感有所不同。电感的基本功能是电路谐振和扼流电抗。主要用于高频振荡、高频扼流和高频滤波等。磁珠的主要功能是消除存在于线路中的高频噪声，扮演着高频电阻（衰减器）的角色，它允许直流信号和较低频信号通过，能滤除 20MHz 以上的高频信号。主要应用于模拟电路和数字电路之间的滤波隔离，I/O(输入/输出 )端口电路，射频 (RF)电路和易受干
3、扰的逻辑设备之间，电源电路以及需要抑制 EMI 等场合。1.3 磁珠的参数磁珠主要有三个参数，阻抗值（Z） 、额定电流（Ir） 、直流电阻（DCR） 。磁珠阻抗值的单位是欧姆，因为磁珠的阻抗是按照它在某一频率点产生的阻抗值来标称的。阻抗 Z 是磁珠中最重要的参数，阻抗 Z 可表示为：Z = R(f) +X(f) （1）式中：电阻 R(f)和感抗 X(f) 均为频率的函数。阻抗 Z 的大小与频率紧密相关，通常产品手册上所给出磁珠的阻抗是表示在100MHz 频率点的测量值，一般阻抗值(Z) 的误差范围是25%。在选用磁珠时除了要考虑阻抗值以外，还要兼顾磁珠的额定电流和直流电阻。21.4 磁珠的频谱
4、曲线图。从图一中我们看到，兰色区域为低频区域，一般信号工作区域。在红色区域为高频区域，Z 曲线在蓝色区域显示的阻抗值较小，而在红色区域显示的阻抗值较大。正是利用磁珠的这一阻抗频率特性来抑制高频噪声信号。磁珠一般是串接在电路中使用的，在低频段磁珠的 R(f)很小，磁珠阻抗主要由电感的感抗构成，在低频时磁芯的磁导率较高，而存在很小的电感量，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。就磁珠而言，存在于磁珠中的这种电感在实际使用时电感量值很小，一般可忽略不计。 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，导致电感量减小而使感抗成分减小 ，但是这时磁芯的损耗增加
5、，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，电磁干扰被吸收以转换成热能的形式耗散掉。因而铁氧体抑制元件广泛应用于各种电子电路、电源线和数据线上。图一 阻抗曲线图例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。铁氧体磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰，也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。1.5 磁珠的工作原理磁珠一般是串接在电路中工作的，从图二我们可以看出磁珠 Z 串接在电路中与负载 ZL 形成一个分压比的关系(若不考虑信号源内阻的影响)，分压公式：从式中看出 VL 输出信号由 ZL(负载阻抗)和 Z(磁珠阻抗)对 VS 信号分压而得3到。因磁珠 Z
6、 的阻抗是频率的函数，在高频段比低频段的阻抗值 (对直流信号相当于通路)要大，对高频信号来说比低频信号衰减要大得多。在选用时要考虑有用信号工作频率是多少，使磁珠对有用信号衰减要尽量小而对无用的高频信号衰减要大。1.6 磁珠对脉冲信号高次谐波的抑制磁珠串接在电路中工作虽然对高频噪声信号具有抑制衰减的作用，但是不同阻抗值的磁珠对脉冲的高次谐波抑制效果是不一样的，见图三。在图中的第一栏我们看到脉冲的上冲很大(未加磁珠)，从频谱图中看出谐波分量很丰富。在中栏加了47 磁珠，看到上冲有所减小，高频频谱分量较第一栏中的要小，高频分量受到一定的抑制。下面栏我们加了 220 磁珠，脉冲波形的上冲减小得最多，从
7、频谱图中看到高频分量较 47 的抑制量要大得多，但是脉冲的上升沿有所牺牲。对脉冲信号上升沿要求高的场合，在使用磁珠抑制脉冲信号的高次谐波时要兼顾减少脉冲上升沿的牺牲。Initial(No filter)MLCB2B3216-221BMLCB2B3216 has excellent performance for noise suppression and waveform distortion suppression.MLCB2B3216 suppresses drastically not only spectrum level in more than 100MHz range but w
8、aveform distortion. Comparing initial waveform,ringinf is supppressed alittleHowever there stile remains high level waveform distortionRinging is caused on the signal waveformSuch ringing contains several hundred MHz harmonic components and generates noiseMLCB2B3216-470B图三 磁珠对数字脉冲信号的高次谐波的抑制效果图综上所述：
9、磁珠是一个耗能元件，阻抗随频率变化，在射频噪声频率范围内具有高阻抗，极好的磁屏蔽结构，不会产生交叉干扰。较小的直流电阻，保证最小的电压降，同时可以避免对有用信号产生过大的衰减。4有效的工作在几十 MHz 到几百 MHz 的频率范围内，使用时直接串接在电源线和信号线上，连接装配方便。磁珠主要是通过吸收发热耗散高频噪声能量。二、磁珠在电路中的应用一般情况下磁珠用来抑制电路中的噪声范围有：a、 直流电源处的高频噪声；叠加在电源上的高频干扰和高次谐波等噪声。b、高速信号线上的谐波和辐射噪声；如微处理器、视频电路、时钟电路、高频模拟电路和振荡电路等。c、 I/O 接口及其它接口部位的噪声；如电缆线相似于
10、天线，是干扰信号进入设备的途径之一。d、 PCB 布局；数字地与模拟地的去耦和隔离。下图为磁珠在电路中一些基本用法，电路为功能框图，图中 A 为模拟电路放大器，D1、D2 数字电路，图中还有时钟电路和开关电源等。Zxx 表示为磁珠（Z CBA为磁珠排） ，Lx 为电感，CMW 为共模电感。磁珠等器件的具体使用和在电路中的连接位置见图四。2.1 电源线上 ZPB1 磁珠阻抗值的设计选择；磁珠在 DC/DC 电源中的应用见图五，图中 L3 为储能滤波电感，与 Co 组成一个 L 型滤波网络，主要滤除开关电源中的纹波。 ZLD 为电路直流负载，根据输出电压 Vo 和 Io 我们得出负载 ZLD 的计
11、算公式：ZLD=Vo/Io， (1)我们假设在电路中的 a1 点 (见图五) 有一高频噪声信号 Vsa1，该噪声信号通过5磁珠流向负载，当然磁珠对该噪声有所抑制和衰减，通过对(图五)电路分析我们得到在电路中 a2 点经过磁珠抑制衰减后的噪声信号公式为:Vsa2 = ZLD/( ZPB1+ ZLD) * Vsa1 (2)式中 Vsa1 是 a1 点的输入噪声信号，Vsa2 是经过磁珠抑制衰减后的输出噪声信号。从（2）式中看出对噪声的衰减主要取决于 ZLD/( ZPB1+ ZLD)的比值(此时的 ZLD 为直流电阻，对于高频交流信号来说实际上 ZLA 交流载负阻抗比 ZLD 直流电阻要小一些，这是
12、因为后续电路的容性负载影响所致） ，一般取 ZPB1 ZLD值 3 倍以上就可获得较好的衰减效果，用在该处的 ZPB1 磁珠一般选择大电流型的磁珠( 产品型号为 PB 系列 )。2.2 IC 电源输入口磁珠 ZPB2 的设计选择。磁珠串接在 IC 的电源输入口对从直流电源串进来高频噪声具有很好的抑制效果。从图六中可以看出模拟放大器的输入直流电阻 Za3= Vo1/Io1，一般情况下可参照 ZPB1 的要求选择（Io1 的工作电流大于 50 mA） 。当 Io1 工作电流较小（小于 50 mA）时，Za3 的阻值较大。虽然在小电流工作状态时 Za3 的电阻值较大，但对于高频交流信号来说，在 a4
13、点所呈现的容抗 Zc (电容C1、C2 的容抗以及电路 IC 内部的分布电容参数等)相对于 Za3 的直流电阻来说要小得多， 容抗Zc 起主要作用。此时的分压比是 ZPB2 与 ZC 的关系。分压比公式为：ZC/( ZPB2+ ZC)。按公式（2）得出：Vsa4 = ZC/( ZPB2+ ZC) * Vsa3 (3)公式中 Vsa3 和 Vsa4 分别是 a3 和 a4 点的高频噪声信号。一般情况 ZC 的阻抗6小于几十欧姆，根据公式(3)选择磁珠 ZPB23 ZC。另外接在图四中电源线上的 ZPB3、ZPB4 磁珠的阻抗参数可参照 ZPB2 磁珠的方法选择。2.3 接地磁珠 ZPB0 的选择
14、磁珠 ZPB0 接在地线上(见图六)，主要用来抑制隔离地线上的高频干扰，使放大器与地线之间隔离开来。因电路 A 是在一定的信号频率下工作，当在放大器与地之间接入磁珠后，磁珠会对有效的工作频率信号产生一定的阻抗，若该阻抗值偏大时，放大器在 b1 点对信号产生一个浮地电压。在这里磁珠要求对高频噪声信号呈现较大阻抗，而对有用的工作信号呈现的阻抗很小，选择要求如下：。当信号工作频率 f100MHz 时，选择磁珠10；当工作频率 40f100MHz 时，选择磁珠19；当工作频率 10f40 MHz 时， 选择磁珠31；当工作频率 1f10 MHz 时， 选择磁珠300；当工作频率 f 1MHz 时， 选
15、择磁珠600。所以 ZPB0 接地磁珠的选择以电路的工作频率越高选择磁珠的阻抗越小，以不影响信号正常工作为准(对信号而言不产生浮地电压)，ZPB0 一般选择大电流型磁珠为好。上述磁珠的选择除了阻抗要求以外，要考虑电路工作电流，一般选择磁珠的额定电流 Ir2Io 工作电流以上，直流电阻尽量小。在直流电路工作中由(1)式和(2)式看出，电路的工作电流越大选择磁珠的阻抗越小。2.4 时钟电路的磁珠选择时钟脉冲电路主要产生一个脉冲信号，提供给数字电路进行同步时序工作。对该信号的频率和上升沿有一定要求，一般要求上升沿速度快延迟小。图七给出了一般时钟电路的典型电路框图，图中列出了磁珠在该电路中的基本用法。
16、接在电源线和地线之间的 ZPB5 和 ZPB0 磁珠的选择请分别参照 2.2 和 2.3 节要求进行。在这里我们重点介绍磁珠 ZCB1 的用法和选择要求。磁珠 ZCB1 接在时钟脉冲的输出线上，主要用来抑制衰减时钟脉冲信号中的高次谐波( 见 1.6 节磁珠对脉冲信号高次谐波的抑制) 。磁珠作为一个吸收发热耗散高频噪声能量的感性元件，在高频段主要呈现电阻的特性，在低频段还存在有一定的感抗分量，所存在的微小电感量对脉冲前沿有一定的影响。从 1.6 节中我们看到阻抗值大的磁珠对脉冲的高次谐波抑制效果好，但脉冲的上升沿延迟偏大，是牺牲了脉冲上升沿为代价的。为了达到好的抑制效果而使脉冲上升沿延迟小，我们可按电感的瞬态特性来计算所需磁珠的大小。根据磁珠的特性我们经过实际测试得到磁珠与电感量关系：ZCB()
