一文讀懂EMC磁珠到底有什麼特性?

　　EMC磁珠到底是什麼特性?(1)

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201808/390931.htm

　　剛才偶然看了本刊的兩篇有關磁珠的專家博文，這兩篇博文都是講磁珠的。其中一篇是講磁珠與電感的區別，另一篇講磁珠其實就是一電阻特性，其實這樣的說法都是不準確的。

　　磁珠(Ferrite bead)的等效電路是一個DCR電阻串聯一個電感並聯一個電容和一個電阻。DCR是一個恆定值，但後面三個元件都是頻率的函數，也就是說它們的感抗，容抗和阻抗會隨著頻率的變化而變化，當然它們阻值，感值和容值都非常小。

　　從等效電路中可以看到，當頻率低於fL(LC諧振頻率)時，磁珠呈現電感特性;當頻率等於fL時，磁珠是一個純電阻，此時磁珠的阻抗(impedance)最大;當頻率高於諧振頻率點fL時，磁珠則呈現電容特性。

　　EMI選用磁珠的原則就是磁珠的阻抗在EMI噪聲頻率處最大。比如如果EMI噪聲的最大值在200MHz,那你選擇的時候就要看磁珠的特性曲線，其阻抗的最大值應該在200MHz左右。

　　下圖是一個磁珠的實際的特性曲線圖。大家可以看到這個磁珠的峰值點出現在1GHz左右。在峰點時，阻抗(Z)曲線的值與電阻(R)的相等。也就是說這個磁珠在1GHz時，是個純電阻，而且阻抗值最大。

　　Z: impedance R: R( f) X1: L\\C

　　EMC磁珠到底是什麼特性?(2)

　　前面簡單介紹了EMI磁珠的基本特性曲線。從磁珠的阻抗曲線來看，其實它的特性就是可以用來做高頻信號濾波器。

　　需要注意的是，通常大家看到的廠家提供的磁珠阻抗曲線，都是在無偏置電流情況下測試得到的曲線。

　　但大部分磁珠通常被放在電源線上用來濾除電源的EMI噪聲。而在有偏置電流的情況下，磁珠的特性會發生一些變化。下面是某個0805尺寸 額定電流500mA的磁珠在不同的偏置電流下的阻抗曲線。大家可以看到，隨著電流的增加，磁珠的峰值阻抗會變小，同時阻抗峰值點的頻率也會變高。

　　在進一步闡述磁珠的特性之前，讓我們先來看一下磁珠的主要特性指標的定義：

　　Z (阻抗，impedance ohm) :磁珠等下電路中所有元件的阻抗之和,它是頻率的函數。通常大家都用磁珠在100MHz時的阻抗值作為磁珠阻抗值。

　　DCR (ohm): 磁珠導體的的直流電阻。

　　額定電流：當磁珠安裝於印刷線路板並加入恆定電流，自身溫升由室溫上升40C時的電流值。

　　那麼EMI磁珠有成千上萬種，阻抗曲線也各不相同，我們應該如根據我們的實際應用選擇合適的磁珠呢?

　　EMC磁珠到底是什麼特性?(3)

　　讓我們首先來看一下阻抗值同為600ohm@100MHz但尺寸大小不同的磁珠在不同偏置電流電流和工作頻率下的特性。

　　上面是四個不同大小的磁珠分別工作在0A，100mA偏置電流及在100MHz,500MHz和1GHz工作頻率下的阻抗值。

　　從上表的測試數據中可以看出，1206尺寸的磁珠在低頻100MHz工作時，其阻抗值僅從0A下的600ohm減小到100mA偏置電流下的550ohm,而0402尺寸的磁珠阻抗值卻從0A下的600ohm大幅減小為175ohm。

　　由此看來，在低頻大偏置電流應用的情況下，應該選擇大尺寸的磁珠，其阻抗特性會更好一些。

　　讓我們來看一下磁珠在高頻工作時的情形。

　　1206尺寸的磁珠其1GHz下的阻抗從100MHz下的600ohm大幅減小為105ohm,而0402尺寸的磁珠其1GHz下的阻抗則只由100MHz下的600ohm小幅減小為399ohm。

　　這也就是說，在低頻大偏置電流的情況下，我們應該選擇較大尺寸的磁珠，而在高頻應用中，我們應該儘量選擇小尺寸的磁珠。

　　至於為什麼大小磁珠會表現為如此特性，希望看了前面磁珠特性的讀者會自己找到答案。

　　EMC磁珠到底是什麼特性?(4)

　　讓我們再來看一下下面兩個不同曲線特徵的磁珠A和磁珠B應用於信號線時的情況。

　　磁珠A和磁珠B的阻抗峰值都在100MHz和200MHz之間，但磁珠A阻抗頻率曲線比較平坦，磁珠B則比較陡峭。

　　我們將兩個磁珠分別放在如下的20MHz的信號線上，看看對信號輸出會產生什麼樣的影響。

　　波形測試點

　　下面是用示波器分別量測磁珠輸出端的波形圖

　　從輸出波形來看，磁珠B的輸出波形失真要明顯小於磁珠A。

　　原因是磁珠B的阻抗頻率波形比較陡峭，其阻抗在200MHz時較高，只對200MHz附近的信號的衰減較大，但對頻譜很寬的方波波形影響較小。而磁珠A的阻抗頻率特性比較平坦，其對信號的衰減頻譜也比較寬，因此對方波的波形影響也較大。

　　下面是上述三種情況對應的EMI測試結果。結果是磁珠A和磁珠B都會對EMI噪聲產生很大的衰減。磁珠A在整個EMI頻譜範圍內的衰減要稍好於磁珠B。

　　因此，在具體選用磁珠時，阻抗頻率特性平坦型的磁珠A比較適合應用於電源線，而頻率特性比較陡峭的磁珠B則較適合應用於信號線。磁珠B在應用於信號線時，可以在儘量保持信號完整性的情況下，儘可能只對EMI頻率附近的噪聲產生最大的衰減。

　　EMC磁珠到底是什麼特性?(5)

　　EMC磁珠應用於電子線路中抑制EMI,主要有兩種應用： 1.最常見用於電源線。2.用於信號線像音頻，視頻線等。那應該如何根據實際應用從千萬種不同特性的EMC磁珠中選擇合適的磁珠用於自己的系統設計呢?

　　向前面所述，如果要選用磁珠用於電源線，應該做如何選擇呢?

　　首 先，要知道開關電源的工作頻率。通常大多數開關電源工作於幾百KHz，少數的可以工作到幾MHz. 這個頻率基本上是在傳導輻射的頻率範圍。對於起始於30MHz輻射頻率來講，屬於低頻的範圍。一般來講，電源產生的輻射EMI噪聲，通常在小於 100MHz-300MHz範圍. 因此，選擇磁珠用選用峰值頻率小於300MHz低頻型的磁珠。

　　其次，就是要知道電源的工作電流。對於哪些放置於開關或非直流信號的磁珠，通常要講交流信號轉換有效值，以此來選擇磁珠的額定電流。

　　對於用於電源線磁珠尺寸，像我們前面講到的，在滿足排版空間設計要求情況下，要儘量選用大尺寸的磁珠。

　　用於電源線的磁珠，DCR是十分關鍵的參數，特別是對於電池供電的可攜式設備，像手機，平板電腦等。應儘量選用DCR小的磁珠用於電源線，以提高電源效率。

　　當然，從抑制EMI的角度來講，磁珠的峰值阻抗越高越好。但通常，磁珠的阻抗與DCR成反比關係。需喲根據實際的應用情況，在DCR和阻抗間做一折中選擇。

　　最後，就像前面所講的，磁珠的阻抗曲線要儘量平坦，以最大限度的濾除電源的高次諧波噪聲。

　　EMC磁珠到底是什麼特性?(6)

　　假如磁珠用於信號線，那應該如何選擇磁珠的種類呢?

　　首先，我們應該知道磁珠要用於何種信號線，比如是音頻，視頻還是其他。這也就是說應該知道信號的工作頻率。原則上，磁珠的阻抗峰值頻率應至少高於信號的有效帶寬，否則會影響影響信號完整性，從而影響系統的正常工作。即使對於像音頻之類的低頻信號，因為音頻信號通常是由音頻解碼器解碼而來，其EMI噪聲通常是音頻解碼器的幾十MHz的時鐘頻率諧波。因此，即使是低頻的音頻信號，其EMI噪聲通常也會是高達幾十甚至幾百MHz的高頻噪聲。

　　其次，要知道信號電流。對於大多數信號而言，像視頻，RS232等，僅僅是信號而已，並沒有太大的電流輸出，因此通常不需要考慮磁珠的額定電流。但對於音頻信號，通常是有功率輸出的，此時磁珠的選擇就要考慮輸出電流。此時要將音頻信號折算成有效值來選取適當額定電流的磁珠。

　　峰值阻抗應選擇在可能出現EMI問題的頻率點附近。

　　用於高速信號的磁珠要注意阻抗匹配，比如用於視頻信號線的磁珠阻抗在100MHz左右要在50歐姆左右。

　　用於信號線的磁珠，通常不需要考慮磁珠DCR，磁珠的尺寸要越小越好。

　　最後就是磁珠的阻抗曲線要儘量陡峭，以免影響信號完整性。

　　小磁珠，大學問!

　　但願這幾篇拙文能夠給廣大讀者有些幫助。