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如何选用磁珠Ferrite bead?

摘要:  磁珠(Ferrite bead)的等效电路是一个DCR(直流电阻)电阻串联一个电感并联一个电容和一个电阻。DCR(直流电阻)是一个恒定值,但后面三个元件都是频率的函数,也就是说它们的感抗,容抗和阻抗会随着频率的变化而变化, ...

磁珠(Ferrite bead)的等效电路是一个DCR(直流电阻)电阻串联一个电感并联一个电容和一个电阻。DCR(直流电阻)是一个恒定值,但后面三个元件都是频率的函数,也就是说它们的感抗,容抗和阻抗会随着频率的变化而变化,当然它们阻值,感值和容值都非常小。


Ferrite bead 磁珠,DCR(直流电阻)电阻串联一个电感并联一个电容和一个电阻等效电路。

从等效电路中可以看到,当频率低于fL(LC谐振频率)时,磁珠呈现电感特性;当频率等于fL时,磁珠是一个纯电阻,此时磁珠的阻抗(impedance)最大;当频率高于谐振频率点fL时,磁珠则呈现电容特性。

EMI选用磁珠的原则就是磁珠的阻抗在EMI噪声频率处最大。比如如果EMI噪声的最大值在200MHz,那你选择的时候就要看磁珠的特性曲线,其阻抗的最大值应该在200MHz左右。

下图是一个磁珠的实际的特性曲线图。大家可以看到这个磁珠的峰值点出现在1GHz左右。在峰点时,阻抗(Z)曲线的值与电阻(R)的相等。也就是说这个磁珠在1GHz时,是个纯电阻,而且阻抗值最大。

Z: impedance   R: R( f)   X1: L\\C

前面简单介绍了EMI磁珠的基本特性曲线。从磁珠的阻抗曲线来看,其实它的特性就是可以用来做高频信号滤波器。

需要注意的是,通常大家看到的厂家提供的磁珠阻抗曲线,都是在无偏置电流情况下测试得到的曲线。

但大部分磁珠通常被放在电源线上用来滤除电源的EMI噪声。而在有偏置电流的情况下,磁珠的特性会发生一些变化。下面是某个0805尺寸 额定电流500mA的磁珠在不同的偏置电流下的阻抗曲线。大家可以看到,随着电流的增加,磁珠的峰值阻抗会变小,同时阻抗峰值点的频率也会变高。

偏置电流阻抗特性曲线

在进一步阐述磁珠的特性之前,让我们先来看一下磁珠的主要特性指标的定义:

Z (阻抗,impedance ohm) :磁珠等下电路中所有元件的阻抗之和,它是频率的函数。通常大家都用磁珠在100MHz时的阻抗值作为磁珠阻抗值。

DCR (ohm): 磁珠导体的的直流电阻。

额定电流:当磁珠安装于印刷线路板并加入恒定电流,自身温升由室温上升40C时的电流值。

那么EMI磁珠有成千上万种,阻抗曲线也各不相同,我们应该如根据我们的实际应用选择合适的磁珠呢?

让我们首先来看一下阻抗值同为600ohm@100MHz但尺寸大小不同的磁珠在不同偏置电流电流和工作频率下的特性。

Part Number / Size
(All 600 Ohm chip beads)
Z  (Ohms)Z  (Ohms)Z  (Ohms)
@  100 MHz@  500 MHz@  1 GHz
Zero Bias100 mAZero Bias100 mAZero Bias100 mA
1206C601R  1206 size600550220220105120
0805E601R  0805 size600380304250151120
0603C601R  0603 size600300330420171200
0402A601R  0402 size600175644600399500


上面是四个不同大小的磁珠分别工作在0A,100mA偏置电流及在100MHz,500MHz和1GHz工作频率下的阻抗值。

从上表的测试数据中可以看出,1206尺寸的磁珠在低频100MHz工作时,其阻抗值仅从0A下的600ohm减小到100mA偏置电流下的550ohm,而0402尺寸的磁珠阻抗值却从0A下的600ohm大幅减小为175ohm。

由此看来,在低频大偏置电流应用的情况下,应该选择大尺寸的磁珠,其阻抗特性会更好一些。

让我们来看一下磁珠在高频工作时的情形。

1206尺寸的磁珠其1GHz下的阻抗从100MHz下的600ohm大幅减小为105ohm,而0402尺寸的磁珠其1GHz下的阻抗则只由100MHz下的600ohm小幅减小为399ohm。

这也就是说,在低频大偏置电流的情况下,我们应该选择较大尺寸的磁珠,而在高频应用中,我们应该尽量选择小尺寸的磁珠。

至于为什么大小磁珠会表现为如此特性,希望看了前面磁珠特性的读者会自己找到答案

让我们再来看一下下面两个不同曲线特征的磁珠A和磁珠B应用于信号线时的情况。

磁珠A和磁珠B的阻抗峰值都在100MHz和200MHz之间,但磁珠A阻抗频率曲线比较平坦,磁珠B则比较陡峭。

我们将两个磁珠分别放在如下的20MHz的信号线上,看看对信号输出会产生什么样的影响。

下面是用示波器分别量测磁珠输出端的波形图

因此,在具体选用磁珠时,阻抗频率特性平坦型的磁珠A比较适合应用于电源线,而频率特性比较陡峭的磁珠B则较适合应用于信号线。磁珠B在应用于信号线时,可以在尽量保持信号完整性的情况下,尽可能只对EMI频率附近的噪声产生最大的衰减。

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