磁珠及其在開關電源中的應用
1 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用。然而實際應用中的電磁兼容問題十分復雜，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際經驗。為了更好地解決電子產品的電磁兼容性這一問題，還要考慮接地、電路與PCB板設計、電纜設計、屏蔽設計等問題[1][2]。本文通過介紹磁珠的基本原理和特性來說明它在開關電源電磁兼容設計中的重要性與應用，以期為設計者在設計新產品時提供必要的參考。
2 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，它可以使電感的線圈繞組之間在高頻高阻的情況下產生的電容最小。鐵氧體材料通常應用于高頻情況，因為在低頻時它們主要呈現電感特性，使得損耗很小。在高頻情況下，它們主要呈現電抗特性并且隨頻率改變。實際應用中，鐵氧體材料是作為射頻電路的高
頻衰減器使用的。實際上，鐵氧體可以較好的等效于電阻以及電感的并聯，低頻下電阻被電感短路，高頻下電感阻抗變得相當高，以至于電流全部通過電阻。鐵氧體是一個消耗裝置，高頻能量在上面轉化為熱能，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，最重要的性能參數為磁導率和飽和磁通密度。磁導率可以表示為復數，實數部分構成電感，虛數部分代表損耗，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組成的串聯電路，如圖1所示，電感L和電阻R都是頻率的函數。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。
在高頻段，阻抗主要由電阻成分構成，隨著頻率的升高，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成，低頻時R很小，磁芯的磁導率較高，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，并且這時磁芯的損耗較小，整個器件是一個低損耗、高品質因素Q特性的電感，這種電感容易造成諧振，因此在低頻段時可能會出現使用鐵氧體磁珠后干擾增強的現象[3]。
磁珠種類很多，制造商會提供技術指標說明，特別是磁珠的阻抗與頻率關系的曲線。有的磁珠上有多個孔洞，用導線穿過可增加元件阻抗(穿過磁珠次數的平方)，不過在高頻時所增加的抑制噪聲能力可能不如預期的多，可以采用多串聯幾個磁珠的辦法。
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變為熱能散發出去的，并非將噪聲導入地或者阻擋回去，如旁路電容那樣。因而，在電路中安裝鐵氧體磁珠時，不需要為它設置接地點。這是鐵氧體磁珠的突出優點[4]。
3 磁珠和電感
3.1 磁珠和電感的區別
磁珠由氧磁體組成，電感由磁芯和線圈組成，磁珠把交流信號轉化為熱能，電感把交流存儲起來，緩慢的釋放出去，因此說電感是儲能元件，而磁珠是能量轉換(消耗)器件。電感多用于電源濾波回路，磁珠多用于信號回路，磁珠主要用于抑制電磁輻射干擾，而電感用于這方面則側重于抑制傳導性干擾。兩者都可用于處理EMC、EMI問題。磁珠是用來吸收超高頻信號，例如一些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，而電感是一種蓄能元件，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。地的連接一般用電感，電源的連接也用電感，而對信號線則常采用磁珠。
3.2 片式磁珠與片式電感
3.2.1 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。在需要使用片式電感的場合，要求電感實現以下兩個基本功能：電路諧振和扼流電抗。諧振電路包括諧振發生電路、振蕩電路、時鐘電路、脈沖電路、波形發生電路等。諧振電路還包括高Q帶通濾波器電路。要使電路產生諧振，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而產生的。在諧振電路中，電感必須具有高品質因素Q，窄的電感偏差，穩定的溫度系數，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。穩定的溫度系數保證諧振頻率具有穩定的溫度變化特性。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。電感結構包括介質材料(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，電感的主要參數是直流電阻(DCR，定義為元件在沒有交流信號下的直流電阻)、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，低的直流電阻(DCR)可以保證最小的電壓降。
3.2.2 片式磁珠
片式磁珠是目前應用、發展很快的一種抗干擾元件，廉價、易用，濾除高頻噪聲效果顯著。片式磁珠由軟磁鐵氧體材料組成，片式鐵氧體磁珠的結構和等效電路如圖2所示，實質上它就是1個疊層型片式電感器，是由鐵氧體磁性材料與導體線圈組成的疊層型獨石結構。由于在高溫下燒結而成，因而具有致密性好、可靠性高等優點。兩端的電極由銀/鎳/焊錫3層構成，可滿足再流焊和波峰焊的要求。在圖2所示的等效電路中，R代表由于鐵氧體材料的損耗(主要是磁損耗)以及導體線圈的歐盟損耗而引起的等效電阻，C是導體線圈的寄生電容。
片式磁珠的功能主要是消除存在于傳輸線結構(PCB電路)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，但是低頻信號也會受到片式磁珠的影響。
片式磁珠不僅具有小型化和輕量化的優點，而且在射頻噪聲頻率范圍內具有高阻抗特性，可以消除傳輸線中的電磁干擾。片式磁珠能夠降低直流電阻，以免對有用信號產生過大的衰減。片式磁珠還具有顯著的高頻特性和阻抗特性，能更好的消除RF能量。在高頻放大電路中還能消除寄生振蕩。有效的工作在幾個MHz到幾百MHz的頻率范圍內[5] [6]。
片式磁珠在過大的直流電壓下，阻抗特性會受到影響，另外，如果工作溫升過高，或者外部磁場過大，磁珠的阻抗都會受到不利的影響。
3.2.3 片式電感與片式磁珠的使用
是使用片式磁珠還是片式電感主要還在于應用。在諧振電路中需要使用片式電感，而在需要消除不需要的EMI噪聲時，則使用片式磁珠是最佳的選擇。片式電感的應用場合主要有： 射頻(RF)和無線通訊，信息技術設備，雷達檢波器，汽車電子，蜂窩電話，尋呼機，音頻設備，PDAs(個人數字助理)，無線遙控系統以及低壓供電模塊等。片式磁珠的應用場合主要有： 時鐘發生電路，模擬電路和數字電路之間的濾波，I/O輸入/輸出內部連接器(比如串口、并口、鍵盤、鼠標、長途電信、本地局域網等)，射頻(RF)電路和易受干擾的邏輯設備之間，供電電路中濾除高頻傳導干擾，計算機，打印機，錄像機，電視系統和手提電話中的EMI噪聲抑止。
4 磁珠的選用與應用
由于鐵氧體磁珠在電路中使用能夠增加高頻損耗而又不引入直流損耗，而且體積小、便于安裝在區間的引線或者導線上，對于1MHz以上的噪聲信號抑制效果十分明顯，因此可用作高頻電路的去耦、濾波以及寄生振蕩的抑制等。特別對消除電路內部由開關器件引起的電流突變和濾波電源線或其它導線引入電路的高頻噪聲干擾效果明顯。低阻抗的供電回路、諧振電路、丙類功率放大器以及可控硅開關電路等，使用鐵氧體磁珠進行濾波都是十分有效的。鐵氧體磁珠一般可以分為電阻性和電感性兩類，使用時可以根據需要選取。單個磁珠的阻抗一般為十至幾百歐姆，應用時如果一個衰減量不夠時可以用多個磁珠串聯使用，但是通常三個以上時效果就不會再明顯增加了[7]。如圖3示出了利用兩只電感性鐵氧體磁珠構成的高頻LC濾波器電路，該電路可有效的吸收由高頻振蕩器產生的振蕩信號而不致竄入負載，并且不降低負載上的直流電壓。
圖3 利用電感性鐵氧體磁珠構成的LC高頻濾波器電路
由于任何傳輸線都不可避免的存在著引線電阻、引線電感和雜散電容，因此，一個標準的脈沖信號在經過較長傳輸線后，極易產生上沖及振鈴現象。大量的實驗證明，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，則是產生上沖和振鈴的根本原因。在脈沖前沿上升時間相同的條件下，引線電感越大，上沖及振鈴現象就越嚴重，雜散電容越大，則使波形的上升時間越長，而引線電阻的增加，將使脈沖的振幅減小。在實際電路中，可以利用串聯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象。
圖4 利用電阻性鐵氧體磁珠消除振鈴現象
鐵氧體抑制元件還廣泛應用于印制電路板、電源線和數據線上。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或磁珠套，利用磁環或磁珠對高頻信號的渦流損耗，把高頻成分轉化為熱損耗。因此磁環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/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，有效信號為差模信號，EMI吸收磁環/磁珠對其沒有任何影響，而對于共模信號則會表現出較大的電感量。磁環的使用中還有一個較好的方法是讓穿過的磁環的導線反復繞幾下，以增加電感量。可以根據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]。
5 結論
近年來，由于電磁兼容的迫切要求，鐵氧體磁珠得到了廣泛的應用，尤其是片式鐵氧體磁珠。在各種現代電子產品中，為了達到電磁兼容的要求，幾乎都采用了這類元件。但值得注意的是，這類元件品種繁多，性能各異，不像阻容元件那樣的系列化、標準化，所以，必須全面了解各種鐵氧體磁珠的特性，并根據實際情況，恰當的選擇與使用這些元件才能收到滿意的效果。
來源：電源世界/作者：張厚升
編輯：admin 最后修改時間：2017-12-13
