磁珠的作用

一、   引言

　　由于電磁兼容的迫切要求，電磁干擾(EMI)抑制元件獲得了廣泛的應(yīng)用。然而實(shí)際應(yīng)用中的電磁兼容問題十分復(fù)雜，單單依靠理論知識是完全不夠的，它更依賴于廣大電子工程師的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。為了更好地解決電子產(chǎn)品的電磁兼容性這一問題，還要考慮接地、 電路與PCB板設(shè)計(jì)、電纜設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)等問題。本文通過介紹磁珠的基本原理和特性來說明它在開關(guān)電源電磁兼容設(shè)計(jì)中的重要性與應(yīng)用，以期為設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)提供必要的參考。

　　二、 磁珠及其工作原理

　　磁珠的主要原料為鐵氧體，鐵氧體是一種立方晶格結(jié)構(gòu)的亞鐵磁性材料，鐵氧體材料為鐵鎂合金或鐵鎳合金，它的制造工藝和機(jī)械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色。電磁干擾濾波器中經(jīng)常使用的一類磁芯就是鐵氧體材料，許多廠商都提供專門用于電磁干擾抑制的鐵氧體材料。這種材料的特點(diǎn)是高頻損耗非常大，具有很高的導(dǎo)磁率，它可以使電感的線圈繞組之間在高頻高阻的情況下產(chǎn)生的電容最小。鐵氧體材料通常應(yīng)用于高頻情況，因?yàn)樵诘皖l時(shí)它們主要呈現(xiàn)電感特性，使得損耗很小。在高頻情況下，它們主要呈現(xiàn)電抗特性并且隨頻率改變。實(shí)際應(yīng)用中，鐵氧體材料是作為射頻電路的高 頻衰減器使用的。實(shí)際上，鐵氧體可以較好的等效于電阻以及電感的并聯(lián)，低頻下電阻被電感短路，高頻下電感阻抗變得相當(dāng)高，以至于電流全部通過電阻。鐵氧體是一個(gè)消耗裝置，高頻能量在上面轉(zhuǎn)化為熱能，這是由它的電阻特性決定的。

　　對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)率和飽和磁通密度。磁導(dǎo)率可以表示為復(fù)數(shù)，實(shí)數(shù)部分構(gòu)成電感，虛數(shù)部分代表損耗，隨著頻率的增加而增加。因此它的等效電路為由電感L和電阻R組成的串聯(lián)電路，如圖1所示，電感L和電阻R都是頻率的函數(shù)。當(dāng)導(dǎo)線穿過這種鐵氧體磁芯時(shí)，所構(gòu)成的電感阻抗在形式上是隨著頻率的升高而增加，但是在不同頻率時(shí)其機(jī)理是完全不同的。

　　在高頻段，阻抗主要由電阻成分構(gòu)成，隨著頻率的升高，磁芯的磁導(dǎo)率降低，導(dǎo)致電感的電感量減小，感抗成分減小，但是，這時(shí)磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導(dǎo)致總的阻抗增加，當(dāng)高頻信號通過鐵氧體時(shí)，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能的形式消耗掉。在低頻段，阻抗主要由電感的感抗構(gòu)成，低頻時(shí)R很小，磁芯的磁導(dǎo)率較高，因此電感量較大，電感L起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制，并且這時(shí)磁芯的損耗較小，整個(gè)器件是一個(gè)低損耗、高品質(zhì)因素Q特性的電感，這種電感容易造成諧振，因此在低頻段時(shí)可能會出現(xiàn)使用鐵氧體磁珠后干擾增強(qiáng)的現(xiàn)象[3]。

　　磁珠種類很多，制造商會提供技術(shù)指標(biāo)說明，特別是磁珠的阻抗與頻率關(guān)系的曲線。有的磁珠上有多個(gè)孔洞，用導(dǎo)線穿過可增加元件阻抗(穿過磁珠次數(shù)的平方)，不過在高頻時(shí)所增加的抑制噪聲能力可能不如預(yù)期的多，可以采用多串聯(lián)幾個(gè)磁珠的辦法。

　　值得注意的是，高頻噪聲的能量是通過鐵氧體磁矩與晶格的耦合而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苌l(fā)出去的，并非將噪聲導(dǎo)入地或者阻擋回去，如旁路電容那樣。因而，在電路中安裝鐵氧體磁珠時(shí)，不需要為它設(shè)置接地點(diǎn)。這是鐵氧體磁珠的突出優(yōu)點(diǎn)。

大量的實(shí)驗(yàn)證明，引線電阻可使脈沖的平均振幅減小，而引線電感和雜散電容的存在，則是產(chǎn)生上沖和振鈴的根本原因。在脈沖前沿上升時(shí)間相同的條件下，引線電感越大，上沖及振鈴現(xiàn)象就越嚴(yán)重，雜散電容越大，則使波形的上升時(shí)間越長，而引線電阻的增加，將使脈沖的振幅減小。在實(shí)際電路中，可以利用串聯(lián)電阻的方法來減小和抑制上沖及振鈴。圖4給出了利用一個(gè)電阻性鐵氧體磁珠來消除兩只快速邏輯門之間由于長線傳輸而引起的振鈴現(xiàn)象。

　　鐵氧體抑制元件還廣泛應(yīng)用于印制電路板、電源線和數(shù)據(jù)線上。如在印制板的電源線入口端加上鐵氧體磁珠，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。兩個(gè)元件的數(shù)值大小與磁珠的長度成正比，而且磁珠的長度對抑制效果有明顯影響，磁珠長度越長抑制效果越好。

　　普通濾波器是由無損耗的電抗元件構(gòu)成的，它在線路中的作用是將阻帶頻率反射回信號源，所以這類濾波器又叫反射濾波器。當(dāng)反射濾波器與信號源阻抗不匹配時(shí)，就會有一部分能量被反射回信號源，造成干擾電平的增強(qiáng)。為解決這一弊病，可在濾波器的進(jìn)線上使用鐵氧體磁環(huán)或磁珠套，利用磁環(huán)或磁珠對高頻信號的渦流損耗，把高頻成分轉(zhuǎn)化為熱損耗。因此磁環(huán)和磁珠實(shí)際上對高頻成分起吸收作用，所以有時(shí)也稱之為吸收濾波器。

　　不同的鐵氧體抑制元件，有不同的最佳抑制頻率范圍。通常磁導(dǎo)率越高，抑制的頻率就越低。此外，鐵氧體的體積越大，抑制效果越好。在體積一定時(shí)，長而細(xì)的形狀比短而粗的抑制效果好，內(nèi)徑越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情況下，還存在鐵氧體飽和的問題，抑制元件橫截面越大，越不易飽和，可承受的偏流越大。

　　EMI吸收磁環(huán)/磁珠抑制差模干擾時(shí)，通過它的電流值正比于其體積，兩者失調(diào)造成飽和，降低了元件性能；抑制共模干擾時(shí)，將電源的兩根線(正負(fù))同時(shí)穿過一個(gè)磁環(huán)，有效信號為差模信號，EMI吸收磁環(huán)/磁珠對其沒有任何影響，而對于共模信號則會表現(xiàn)出較大的電感量。磁環(huán)的使用中還有一個(gè)較好的方法是讓穿過的磁環(huán)的導(dǎo)線反復(fù)繞幾下，以增加電感量?？梢愿鶕?jù)它對電磁干擾的抑制原理，合理使用它的抑制作用。

　　鐵氧體抑制元件應(yīng)當(dāng)安裝在靠近干擾源的地方。對于輸入/輸出電路，應(yīng)盡量靠近屏蔽殼的進(jìn)、出口處。對鐵氧體磁環(huán)和磁珠構(gòu)成的吸收濾波器，除了應(yīng)選用高磁導(dǎo)率的有耗材料外，還要注意它的應(yīng)用場合。它們在線路中對高頻成分所呈現(xiàn)的電阻大約是十至幾百歐姆，因此它在高阻抗電路中的作用并不明顯，相反，在低阻抗電路(如功率分配、電源或射頻電路)中使用將非常有效[3]。

　　三、結(jié)論