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磁珠在高速電路設(shè)計(jì)中的等效電路及其應(yīng)用、分析
更新時(shí)間:2018-07-31
在電路板中我們常用的磁珠的全稱為鐵氧體磁珠濾波器(另有一種是非晶合金磁性材料制作的磁珠),外形和電感較為相似,主要功能是吸收電源、信號(hào)上的噪聲等干擾,是一種抗干擾元件,濾除高頻噪聲效果顯著。
無論是電感和電容消除干擾來說,電容只是為噪聲提供一個(gè)地阻抗路徑,而電感則是把噪聲反射回去,從本質(zhì)上來說他們都沒有消除噪聲,只是改變了噪聲的傳播路徑。而磁珠則不同,在一定的頻率內(nèi)它能反射噪聲,在一定的頻率內(nèi)還能吸收噪聲轉(zhuǎn)化為熱能,從這一點(diǎn)來看,磁珠才是真正的消除了噪聲。
1.1、鐵氧體材料的特點(diǎn)
鐵氧體材料的特點(diǎn)是高頻損耗非常大,具有很高的導(dǎo)磁率,對(duì)較高頻率的電流會(huì)產(chǎn)生較大的衰減。對(duì)于抑制電磁干擾用的鐵氧體,最重要的性能參數(shù)為磁導(dǎo)率μ和飽和磁通密度Bs。它的等效電路為一個(gè)電感和一個(gè)電阻串聯(lián),兩個(gè)元件的值都與磁珠的長度成比例。當(dāng)導(dǎo)線穿過這種鐵氧體磁芯時(shí),所構(gòu)成的電感阻抗是隨著頻率的升高而增加。高頻電流在其中以熱量形式散發(fā)。
1.2、磁珠等效電路
磁珠等效電路的電感部分以X表示,電阻成分以R表示。其整體特性是用R和X合成的阻抗Z的頻率特性來表示。
磁珠的阻抗Z,在低頻段由X起主導(dǎo)作用,體現(xiàn)出電感性,其功能是反射噪聲。在高頻段是R起主導(dǎo)作用,表現(xiàn)出電阻性,其作用是吸收噪聲并將噪聲轉(zhuǎn)化為熱量。證兩種功能的轉(zhuǎn)換點(diǎn)就是在曲線上R和X相等處。

磁珠的阻抗特性曲線
如上圖所示R、X交叉點(diǎn)便是功能的轉(zhuǎn)換點(diǎn),轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下體現(xiàn)出電感性,以上體現(xiàn)出電阻性。轉(zhuǎn)換點(diǎn)頻率越高其磁珠體現(xiàn)出電感性的頻帶越寬,對(duì)低頻的吸收能力越弱,對(duì)高頻的吸收能力越強(qiáng);轉(zhuǎn)換點(diǎn)頻率越低其磁珠體現(xiàn)出電感性的頻帶越窄,對(duì)低頻的吸收能力越強(qiáng),對(duì)高頻的吸收能力越弱。
磁珠的單位是歐姆,是按照它在某一頻率下產(chǎn)生的阻抗來標(biāo)稱的。磁珠的數(shù)據(jù)參數(shù)表(DATASHEET)上,一般會(huì)提供頻率和阻抗的特性曲線圖,常以100MHz為標(biāo)準(zhǔn),比如600R@100MHz,意思就是在100MHz頻率時(shí)磁珠的阻抗相當(dāng)于600歐姆。
例如某磁珠參數(shù)為120Ω,25%,3A,1206,是指在頻率1OOMHz時(shí),阻抗值為1200,允許誤差是:±25%,允許穿過的標(biāo)稱最大電流為3A;1206是外形尺寸,EIAl206(英制:英寸)等同于JIS/IEC3216(國際單位制:毫米),即長3.2mm、寬1.6mm。磁環(huán)和磁珠對(duì)高頻成分起吸收作用,也稱為吸收濾波器。
2.1、在高速電路中的選型
在磁珠選型時(shí),需仔細(xì)分析電路信號(hào)與噪聲所在的頻帶,所選擇的磁珠應(yīng)滿足:電路噪聲的頻帶大于磁珠頻率的轉(zhuǎn)化點(diǎn),以便于磁珠吸收噪聲而不是反射噪聲;電路信號(hào)的頻帶應(yīng)處于轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下,以防有效信號(hào)被磁珠衰減。
對(duì)于串聯(lián)磁珠的線路,磁珠轉(zhuǎn)換點(diǎn)頻率越低線路震蕩與波性失真就越小 ;反之越大。鐵氧體磁珠廣泛應(yīng)用于印制電路板,如在印制板的電源線入口端套上磁珠(較大的磁環(huán)),就可以濾除高頻干擾。鐵氧體磁環(huán)或磁珠專用于抑制信號(hào)線、電源線上的高頻干擾和尖峰干擾,它也具有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。

磁珠的參數(shù)選擇
2.2、磁珠在電源電路中的選型
磁珠的選型,還需要考慮額定電流、直流阻抗和諧振頻率等因素。與電感類似,在磁珠用于電源電路濾波時(shí),其工作電流不能大于磁珠的額定電流。當(dāng)工作電流大于磁珠的額定電流時(shí),將會(huì)對(duì)磁珠本身產(chǎn)生不利影響,使其損壞。
磁珠本身還有直流阻抗,在電源電路較大時(shí),還應(yīng)注意直流阻抗。另外,還應(yīng)考慮其諧振頻率,當(dāng)工作頻率高于諧振頻率時(shí),磁珠表現(xiàn)為電容性,阻抗迅速減小。
無論是電感和電容消除干擾來說,電容只是為噪聲提供一個(gè)地阻抗路徑,而電感則是把噪聲反射回去,從本質(zhì)上來說他們都沒有消除噪聲,只是改變了噪聲的傳播路徑。而磁珠則不同,在一定的頻率內(nèi)它能反射噪聲,在一定的頻率內(nèi)還能吸收噪聲轉(zhuǎn)化為熱能,從這一點(diǎn)來看,磁珠才是真正的消除了噪聲。
1、磁珠的等效電路
1.1、鐵氧體材料的特點(diǎn)
鐵氧體材料的特點(diǎn)是高頻損耗非常大,具有很高的導(dǎo)磁率,對(duì)較高頻率的電流會(huì)產(chǎn)生較大的衰減。對(duì)于抑制電磁干擾用的鐵氧體,最重要的性能參數(shù)為磁導(dǎo)率μ和飽和磁通密度Bs。它的等效電路為一個(gè)電感和一個(gè)電阻串聯(lián),兩個(gè)元件的值都與磁珠的長度成比例。當(dāng)導(dǎo)線穿過這種鐵氧體磁芯時(shí),所構(gòu)成的電感阻抗是隨著頻率的升高而增加。高頻電流在其中以熱量形式散發(fā)。
1.2、磁珠等效電路
磁珠等效電路的電感部分以X表示,電阻成分以R表示。其整體特性是用R和X合成的阻抗Z的頻率特性來表示。

磁珠的等效電路
磁珠的阻抗Z,在低頻段由X起主導(dǎo)作用,體現(xiàn)出電感性,其功能是反射噪聲。在高頻段是R起主導(dǎo)作用,表現(xiàn)出電阻性,其作用是吸收噪聲并將噪聲轉(zhuǎn)化為熱量。證兩種功能的轉(zhuǎn)換點(diǎn)就是在曲線上R和X相等處。

磁珠的阻抗特性曲線
如上圖所示R、X交叉點(diǎn)便是功能的轉(zhuǎn)換點(diǎn),轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下體現(xiàn)出電感性,以上體現(xiàn)出電阻性。轉(zhuǎn)換點(diǎn)頻率越高其磁珠體現(xiàn)出電感性的頻帶越寬,對(duì)低頻的吸收能力越弱,對(duì)高頻的吸收能力越強(qiáng);轉(zhuǎn)換點(diǎn)頻率越低其磁珠體現(xiàn)出電感性的頻帶越窄,對(duì)低頻的吸收能力越強(qiáng),對(duì)高頻的吸收能力越弱。
2、在高速電路中如何選擇磁珠
磁珠的單位是歐姆,是按照它在某一頻率下產(chǎn)生的阻抗來標(biāo)稱的。磁珠的數(shù)據(jù)參數(shù)表(DATASHEET)上,一般會(huì)提供頻率和阻抗的特性曲線圖,常以100MHz為標(biāo)準(zhǔn),比如600R@100MHz,意思就是在100MHz頻率時(shí)磁珠的阻抗相當(dāng)于600歐姆。
例如某磁珠參數(shù)為120Ω,25%,3A,1206,是指在頻率1OOMHz時(shí),阻抗值為1200,允許誤差是:±25%,允許穿過的標(biāo)稱最大電流為3A;1206是外形尺寸,EIAl206(英制:英寸)等同于JIS/IEC3216(國際單位制:毫米),即長3.2mm、寬1.6mm。磁環(huán)和磁珠對(duì)高頻成分起吸收作用,也稱為吸收濾波器。
2.1、在高速電路中的選型
在磁珠選型時(shí),需仔細(xì)分析電路信號(hào)與噪聲所在的頻帶,所選擇的磁珠應(yīng)滿足:電路噪聲的頻帶大于磁珠頻率的轉(zhuǎn)化點(diǎn),以便于磁珠吸收噪聲而不是反射噪聲;電路信號(hào)的頻帶應(yīng)處于轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下,以防有效信號(hào)被磁珠衰減。
對(duì)于串聯(lián)磁珠的線路,磁珠轉(zhuǎn)換點(diǎn)頻率越低線路震蕩與波性失真就越小 ;反之越大。鐵氧體磁珠廣泛應(yīng)用于印制電路板,如在印制板的電源線入口端套上磁珠(較大的磁環(huán)),就可以濾除高頻干擾。鐵氧體磁環(huán)或磁珠專用于抑制信號(hào)線、電源線上的高頻干擾和尖峰干擾,它也具有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。

磁珠的參數(shù)選擇
2.2、磁珠在電源電路中的選型
磁珠的選型,還需要考慮額定電流、直流阻抗和諧振頻率等因素。與電感類似,在磁珠用于電源電路濾波時(shí),其工作電流不能大于磁珠的額定電流。當(dāng)工作電流大于磁珠的額定電流時(shí),將會(huì)對(duì)磁珠本身產(chǎn)生不利影響,使其損壞。
磁珠本身還有直流阻抗,在電源電路較大時(shí),還應(yīng)注意直流阻抗。另外,還應(yīng)考慮其諧振頻率,當(dāng)工作頻率高于諧振頻率時(shí),磁珠表現(xiàn)為電容性,阻抗迅速減小。
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