村田代理帶您了解磁珠和電感的不同作用
磁珠和電感是MEC設計中經(jīng)常需要用到的，下面對這種分別進行介紹。
磁珠的原理
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。這種材料的特點是高頻損耗非常大，具有很高的導磁率，他可以是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。對于抑制電磁干擾用的鐵氧體，最重要的性能參數(shù)為磁導率μ和飽和磁通密度Bs。磁導率μ可以表示為復數(shù)，實數(shù)部分構成電感，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，L和R都是頻率的函數(shù)。當導線穿過這種鐵氧體磁芯時，所構成的電感阻抗在形式上是隨著頻率的升高而增加，但是在不同頻率時其機理是完全不同的。
在低頻段，阻抗由電感的感抗構成，低頻時R很小，磁芯的磁導率較高，因此電感量較大，L起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制，并且這時磁芯的損耗較小，整個器件是一個低損耗、高Q特性的電感，這種電感容易造成諧振因此在低頻段，有時可能出現(xiàn)使用鐵氧體磁珠后干擾增強的現(xiàn)象。 在高頻段，阻抗由電阻成分構成，隨著頻率升高，磁芯的磁導率降低，導致電感的電感量減小，感抗成分減小 但是，這時磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導致總的阻抗增加，當高頻信號通過鐵氧體時，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能的形式耗散掉。
鐵氧體抑制元件廣泛應用于印制電路板、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抑制元件，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。
磁珠的選用
1. 磁珠的單位是歐姆，而不是亨特，這一點要特別注意。因為磁珠的單位是按照它在某一頻率產(chǎn)生的阻抗來標稱的，阻抗的單位也是歐姆。磁珠的DATASHEET 上一般會提供頻率和阻抗的特性曲線圖，一般以100MHz 為標準，比如1000R@100MHz，意思就是在100MHz 頻率的時候磁珠的阻抗相當于600 歐姆。 2. 普通濾波器是由無損耗的電抗元件構成的，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。當反射濾波器與信號源阻抗不匹配時，就會有一部分能量被反射回信號源，造成干擾電平的增強。為解決這一弊病，可在濾波器的進線上使用鐵氧體磁環(huán)或磁珠套，利用滋環(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)和磁珠實際上對高頻成分起吸收作用，所以有時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，長而細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，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，將電源的兩根線（正負）同時穿過一個磁環(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)的使用中還有一個較好的方法是讓穿過的磁環(huán)的導線反復繞幾下，以增加電感量。可以根據(jù)它對電磁干擾的抑制原理，合理使用它的抑制作用。 鐵氧體抑制元件應當安裝在靠近干擾源的地方。對于輸入／輸出電路，應盡量靠近屏蔽殼的進、出口處。對鐵氧體磁環(huán)和磁珠構成的吸收濾波器，除了應選用高磁導率的有耗材料外，還要注意它的應用場合。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Ω，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。
磁珠和電感的區(qū)別
電感是儲能元件，而磁珠是能轉(zhuǎn)換（消耗）器件。電感多用于電源濾波回路，側(cè)重于抑止傳導性干擾；磁珠多用于信號回路，主要用于EMI方面。磁珠用來吸收超高頻信號，象一些RF電路，PLL，振蕩電路，含超高頻存儲器電路（DDR,SDRAM,RAMBUS 等）都需要在電源輸入部分加磁珠，而電感是一種儲能元件，用在LC振蕩電路、中低頻的濾波電路等，其應用頻率范圍很少超過50MHz。 1.片式電感：在電子設備的PCB板電路中會大量使用感性元件和EMI濾波器元件。這些元件包括片式電感和片式磁珠，以下就這兩種器件的特點進行描述并分析他們的普通應用場合以及特殊應用場合。表面貼裝元件的好處在于小的封裝尺寸和能夠滿足實際空間的要求。除了阻抗值，載流能力以及其他類似物理特性不同外，通孔接插件和表面貼裝器件的其他性能特點基本相同。在需要使用片式電感的場合，要求電感實現(xiàn)以下兩個基本功能：電路諧振和扼流電抗。諧振電路包括諧振發(fā)生電路，振蕩電路，時鐘電路，脈沖電路，波形發(fā)生電路等等。諧振電路還包括高Q帶通濾波器電路。要使電路產(chǎn)生諧振，必須有電容和電感同 時存在于電路中。在電感的兩端存在寄生電容，這是由于器件兩個電極之間的鐵氧體本體相當于電容介質(zhì)而產(chǎn)生的。在諧振電路中，電感必須具有高Q，窄的電感偏差，穩(wěn)定的溫度系數(shù)，才能達到諧振電路窄帶，低的頻率溫度漂移的要求。高Q電路具有尖銳的諧振峰值。窄的電感偏置保證諧振頻率偏差盡量小。穩(wěn)定的溫度系數(shù)保證諧振頻率具有穩(wěn)定的溫度變化特性。標準的徑向引出電感和軸向引出電感以及片式電感的差異僅僅在于封裝不一樣。電感結(jié)構包括介質(zhì)材料（通常為氧化鋁陶瓷材料）上繞制線圈，或者空心線圈以及鐵磁性材料上繞制線圈。在功率應用場合，作為扼流圈使用時，電感的主要參數(shù)是直流電阻（DCR）,額定電流，和低Q值。當作為濾波器使用時，希望寬的帶寬特性，因此，并不需要電感的高Q特性。低的DCR可以保證最小的電壓降，DCR定義為元件在沒有交流信號下的直流電阻。 2.片式磁珠：片式磁珠的功能主要是消除存在于傳輸線結(jié)構（PCB 電里）中的RF噪聲,RF能量是疊加在直流傳輸電平上的交流正弦波成分，直流成分是需要的有用信號,而射頻RF能量卻是無用的電磁干擾沿著線路傳輸和輻射（EMI）。要消除這些不需要的信號能量，使用片式磁珠扮演高頻電阻的角色（衰減器），該器件允許直流信號通過，而濾除交流信號。通常高頻信號為30MHz以上，然而，低頻信號也會受到片式磁珠的影響。片式磁珠由軟磁鐵氧體材料組成，構成高體積電阻率的獨石結(jié)構。渦流損耗同鐵氧體材料的電阻率成反比。渦流損耗隨信號頻率的平方成正比。
磁珠的參數(shù)
標稱值:因為磁珠的單位是按照它在某一頻率產(chǎn)生的阻抗來標稱的，阻抗的單位也是歐姆，一般以100MHz為標準，比如2012B601，就是指在100MHz的時候磁珠的阻抗為600歐姆。 額定電流:額定電流是指能保證電路正常工作允許通過電流。
磁珠和電感在解決EMI和EMC方面各與什么作用，首先我們來看看磁珠和電感的區(qū)別，電感是閉合回路的一種屬性，多用于電源濾波回路，而磁珠主要多 用于信號回路，用于EMC對策磁珠主要用于抑制電磁輻射干擾，而電感用于這方面則側(cè)重于抑制傳導性干擾。磁珠是用來吸收超高頻信號，象一些RF電 路，PLL,振蕩電路，含超高頻存儲器電路(DDR SDRAM,RAMBUS等)都需要在電源輸入部分加磁珠，兩者都可用于處理EMC、EMI問題。
磁珠和電感在解決EMI和EMC方面各與什么作用，首先我們來看看磁珠和電感的區(qū)別，電感是閉合回路的一種屬性，多用于電源濾波回路，而磁珠主要多 用于信號回路，用于EMC對策磁珠主要用于抑制電磁輻射干擾，而電感用于這方面則側(cè)重于抑制傳導性干擾。磁珠是用來吸收超高頻信號，象一些RF電 路，PLL,振蕩電路，含超高頻存儲器電路(DDR SDRAM,RAMBUS等)都需要在電源輸入部分加磁珠，兩者都可用于處理EMC、EMI問題。
磁珠和電感在EMI和EMC電路中關鍵是是對高頻傳導干擾信號進行抑制，也有抑制電感的作用。但從原理方面來看，磁珠可等效成一個電感，等于還是存在一定的 區(qū)別，最大區(qū)別在于電感線圈有分布電容。因此，電感線圈就相當于一個電感與一個分布電容并聯(lián)。如圖1所示。圖1中，LX為電感線圈的等效電感(理想電 感)，RX為線圈的等效電阻，CX為電感的分布電容。
圖1 電感線圈的等效電路圖
理論上對傳導干擾信號進行抑制，要求抑制電感的電感量越大越好，但對于電感線圈來說，電感量越大，則電感線圈的分布電容也越大，兩者的作用將會互相抵消。
圖2 普通電感線圈的阻抗與頻率的關系圖
圖 2是普通電感線圈的阻抗與頻率的關系圖，由圖中可以看出，電感線圈的阻抗開始的時候是隨著頻率升高而增大的，但當它的阻抗增大到最大值以后，阻抗反而隨著 頻率升高而迅速下降，這是因為并聯(lián)分布電容的作用。當阻抗增到最大值的地方，就是電感線圈的分布電容與等效電感產(chǎn)生并聯(lián)諧振的地方。圖中，L1 > L2 > L3,由此可知電感線圈的電感量越大，其諧振頻率就越低。從圖2中可以看出，如果要對頻率為1MHZ的干擾信號進行抑制，選用L1倒不如選用L3,因為 L3的電感量要比L1小十幾倍，因此L3的成本也要比L1低很多。
如果我們還要對抑制頻率進一步提高，那么我們最后選用的電感線圈就只好是它的最小極限值，只有1圈或不到1圈了。磁珠，即穿心電感，就是一個匝數(shù)小于1圈的電感線圈。但穿心電感比單圈電感線圈的分布電容小好幾倍到幾十倍，因此，穿心電感比單圈電感線圈的工作頻率更高。
穿心電感的電感量一般都比較小，大約在幾微亨到幾十微亨之間，電感量大小與穿心電感中導線的大小以及長度，還有磁珠的截面積都有關系，但與磁珠電感量關系最 大的還要算磁珠的相對導磁率Uy.圖3、圖4是分別是指導線和穿心電感的原理圖，計算穿心電感時，首先要計算一根圓截面直導線的電感，然后計算結(jié)果乘上磁 珠相對導磁率 就可以求出穿心電感的電感量。
圖3 圓截面直導線的電感圖
圖4 磁珠穿心電感圖
另外，當穿心電感的工作頻率很高時，在磁珠體內(nèi)還會產(chǎn)生渦流，這相當于穿心電感的導磁率要降低，此時，我們一般都使用有效導磁率。有效導磁率 就是在某個工作頻率之下，磁珠的相對導磁率。但由于磁珠的工作頻率都只是一個范圍，因此在實際應用中多用平均導磁率。
在低頻時，一般磁珠的相對導磁率都很大(大于100)，但在高頻時其有效導磁率只有相對導磁率的幾分之一，甚至幾十分之一。因此，磁珠也有截止頻率的問題， 所謂截止頻率，就是使磁珠的有效導磁率下降到接近1時的工作頻率fc,此時磁珠已經(jīng)失去一個電感的作用。一般磁珠的截止頻率fc都在30~300MHz之 間，截止頻率的高低與磁珠的材料有關，一般導磁率越高的磁芯材料，其截止頻率fc反而越低，因為低頻磁芯材料渦流損耗比較大。使用者在進行電路設計的時 候，可要求磁芯材料的提供商提供磁芯工作頻率與有效導磁率 的測試數(shù)據(jù)，或穿心電感在不同工作頻率之下的曲線圖。圖5是穿心電感的頻率曲線圖。
圖5 穿心電感的頻率曲線圖
磁珠另一個用途就是用來做電磁屏蔽，它的電磁屏蔽效果比屏蔽線的屏蔽效果還要好，這是一般人不太注意的。其使用方法就是讓一雙導線從磁珠中間穿過，那么當有 電流從雙導線中流過時，其產(chǎn)生的磁場將大部份集中在磁珠體內(nèi)，磁場不會再向外輻射;由于磁場在磁珠體內(nèi)會產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生電力線的方向與導體表面電力線 的方向正好相反，互相可以抵消，因此，磁珠對于電場同樣有屏蔽作用，即：磁珠對導體中的電磁場有很強的屏蔽作用。
使用磁珠進行電磁屏蔽的優(yōu)點是磁珠不用接地，可以免去屏蔽線要求接地的麻煩。用磁珠作為電磁屏蔽，對于雙導線來說，還相當于在線路中接了一個共模抑制電感，對共模干擾信號有很強的抑制作用。
從上述我們可以了解到，磁珠和電感在EMC、EMI電路中都能起到抑制的作用，主要是抑制方面的不同，而電感在高頻諧振以后都不能再起電感的作用了，先必需 明白EMI的兩個途徑，即：輻射和傳導，不同的途徑采用不同的抑制方法。前者用磁珠，后者用電感。還需我們注意的地方是共模抑制電感與Y電容的連接位置， 那什么是共模抑制電感，就是在地線或其它輸入輸出線之間串聯(lián)電感，這個電感稱為共模抑制電感，共模抑制電感的一端與機器中的地線(公共端)相連，另一端與 一個Y電容相連，Y電容的另一端與大地相連。這是抑制傳導干擾的最有效方法。
編輯：amy 最后修改時間：2019-09-11
