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电磁兼容整改中的磁珠(Bead)

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发表于 2012-12-15 18:13:33 | 显示全部楼层 |阅读模式

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        磁珠Bead)的全称为铁氧体磁珠滤波器(另有一种是非晶合金磁性材料制作的磁珠),是一种抗干扰元件,滤除高频噪声效果显著。磁珠由氧磁体组成,电感由磁心和线圈组成,磁珠把交流信号转化为热能,电感把交流存储起来,缓慢的释放出去。磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰,还具有吸收静电脉冲的能力。
        磁珠是用来吸收超高频信号,象一些RF电路,PLL,振荡电路,含超高频存储器电路(DDRSDRAM,RAMBUS等)都需要在电源输入部分加磁珠,而电感是一种蓄能元件,用在LC振荡电路,中低频的滤波电路等,其应用频率范围很少超过50MHZ。 磁珠有很高的电阻率和磁导率,等效于电阻和电感串联,但电阻值和电感值都随频率变化。

磁珠能做什么
  磁珠的功能主要是消除存在于传输线结构(电路)中的RF噪声,RF能量是叠加在直流传输电平上的交流正弦波成分,直流成分是需要的有用信号,而射频RF能量却是无用的电磁干扰沿着线路传输和辐射(EMI)。要消除这些不需要的信号能量,使用片式磁珠扮演高频电阻的角色(衰减器),该器件允许直流信号通过,而滤除交流信号。通常高频信号为30MHz以上,然而,低频信号也会受到片式磁珠的影响。磁珠有很高的电阻率和磁导率,等效于电阻和电感串联,但电阻值和电感值都随频率变化。他比普通的电感有更好的高频滤波特性,在高频时呈现阻性,所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗,从而提高调频滤波效果。在电路中只要导线穿过它即可,导线已穿过并胶合,也有表面贴装的形式,但很少见到卖的)。当导线中电流穿过时,铁氧体对低频电流几乎没有什么阻抗,而对较高频率的电流会产生较大衰减作用。高频电流在其中以热量形式散发,其等效电路为一个电感和一个电阻串联,两个组件的值都与磁珠的长度成比例。

        磁珠种类很多,制造商应提供技术指标说明,特别是磁珠的阻抗与频率关系的曲线。有的磁珠上有多个孔洞,用导线穿过可增加组件阻抗(穿过磁珠次数的平方),不过在高频时所增加的抑制噪声能力不可能如预期的多,而用多串联几个磁珠的办法会好些。铁氧体是磁性材料,会因通过电流过大而产生磁饱和,导磁率急剧下降。大电流滤波应采用结构上专门设计的磁珠,还要注意其散热措施。铁氧体磁珠不仅可用于电源电路中滤除高频噪声(可用于直流和交流输出),还可广泛应用于其它电路,其体积可以做得很小。特别是在数字电路中,由于脉冲信号含有频率很高的高次谐波,也是电路高频辐射的主要根源。

磁珠的参数

一、 磁通量
  高U的磁饱合度低,即磁珠在低频能够承受最大的电流越大,感抗随电流变化而呈容抗。磁珠发热也就是讲磁芯损耗太大,把功率转化为热能,而没有转化为磁能,把能量消耗掉了。通常镍材磁芯带宽,Q值与U之间有一个平衡关系,U值越高Q值就越低,反之亦是。U值低频工作困难,但损耗小,U值高低频工作较易,但磁芯损耗太大,功率损耗也大,基本上难于连续工作。使用U值400的磁环应该可以大幅降低磁损耗。虽然电感量低了些,但可以增加绕线圈数来解决。以1:4变压器为例子,1圈的初级改成两圈;2圈的次级改为4圈。这样绕线总长度要增加一倍,最高传输频率也要相应降低。

二、居里温度
  一般磁环居里温度110℃,达到这一温度以后立刻失去磁性,有如空气介质一般;恢复室温以后,磁性能发生了永久性改变,磁导率降低了10%。
  在功率放大器的输出变压器上应用的磁性材料如果工作温度超过了居里温度,须臾之间就可以烧毁输出功率管。输出功率开始下降的那一点就作为该磁环的温度极限。
  从过往的实验结果看,55度时,那些EMI磁环还没有出现输出功率下降的情况。

三、工作频率
  每种磁芯的材料决定了它最佳的工作频率,因此必须根据具体的频率来选择磁芯的材料。低工作频率的磁环强行工作在高频率下,会有很大的损耗和发热,当磁环发热超过居里温度时,电气性能发生突变,也就不能正常工作了。
  总上所述,要选对磁环,并不是看外型或体积就可以的,必须要了解它的实际参数,否则在出现问题时,如驻波高、频宽太窄、磁环严重发热或烧坏等,都不知道原因出自何处。 
  铁氧体磁珠磁导率的测算:
  1、测量磁珠的外径D,内径d,环的高度H,单位mm。
  2、用漆包线穿绕10~20圈,绕紧点,不要太松,测量其电感量L,单位为uH,电感量大点测算误差小,电感量小测算误差就会大,请根据实际需要确定穿绕的圈数N。
  3、将以上数据代入下式计算出大约的磁导率u0
  u0=2500*L*(D+d)/((D-d)*H*N*N)

  例如:13X7X5的磁环,绕20圈,测得电感量23uH,代入上式计算
  u0=2500*23*(13+7)/((13-7)*5*20*20)=1150000/12000=95.8
  测算结果与磁导率100的规格最接近,确定该磁环的u0是100,注意一般u0标称误差有+-10%。

  对于没有参数的磁珠可以首先根据外观特征初步判断是哪种材料,再测算磁导率,就可以确定该磁珠的主要规格了。

磁珠的选用
  1. 磁珠的单位是欧姆,而不是亨利,这一点要特别注意。因为磁珠的单位是按照它在某一频率 产生的阻抗来标称的,阻抗的单位也是欧姆。磁珠的 DATASHEET上一般会提供频率和阻抗的特性曲线图,一般以100MHz为标准,比如600R@100MHz,意思就是在100MHz频率的时候磁珠的阻抗相当于600欧姆。

  2. 普通滤波器是由无损耗的电抗元件构成的,它在线路中的作用是将阻带频率反射回信号源,所以这类滤波器又叫反射滤波器。当反射滤波器与信号源阻抗不匹配时,就会有一部分能量被反射回信号源,造成干扰电平的增强。为解决这一弊病,可在滤波器的进线上使用铁氧体磁环或磁珠套,利用滋环或磁珠对高频信号的涡流损耗,把高频成分转化为热损耗。因此磁环和磁珠实际上对高频成分起吸收作用,所以有时也称之为吸收滤波器。

  不同的铁氧体抑制元件,有不同的最佳抑制频率范围。通常磁导率越高,抑制的频率就越低。此外,铁氧体的体积越大,抑制效果越好。在体积一定时,长而细的形状比短而粗的抑制效果好,内径越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情况下,还存在铁氧体饱和的问题,抑制元件横截面越大,越不易饱和,可承受的偏流越大。

  EMI吸收磁环/磁珠抑制差模干扰时,通过它的电流值正比于其体积,两者失调造成饱和,降低了元件性能;抑制共模干扰时,将电源的两根线(正负)同时穿过一个磁环,有效信号为差模信号,EMI吸收磁环/磁珠对其没有任何影响,而对于共模信号则会表现出较大的电感量。磁环的使用中还有一个较好的方法是让穿过的磁环的导线反复绕几下,以增加电感量。可以根据它对电磁干扰的抑制原理,合理使用它的抑制作用。
铁氧体抑制元件应当安装在靠近干扰源的地方。对于输入/输出电路,应尽量靠近屏蔽壳的进、出口处。对铁氧体磁环和磁珠构成的吸收滤波器,除了应选用高磁导率的有耗材料外,还要注意它的应用场合。它们在线路中对高频成分所呈现的电阻大约是十至几百Ω,因此它在高阻抗电路中的作用并不明显,相反,在低阻抗电路(如功率分配、电源或射频电路)中使用将非常有效。
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