磁铁珠
磁铁珠又称磁珠(magnetic bead),全称为铁氧体磁珠滤波器,是一种超小型磁性材料。它是将铁氧体材料与导线在高温下烧结而成的。具有高频损耗大,高电阻率、高磁导率的特点。
磁珠的主要原料为铁氧体,是一种晶体结构亚铁磁性材料,是将铁氧体材料(或非晶合金)与导线在高温下烧结而成的。其主要原理是铁氧体珠利用铁氧体陶瓷进行高频电流耗散抑制高频噪声。磁珠分管状、片状、排状(磁珠阵列,俗称磁珠排)等多种类型。
功能原理
铁氧体磁珠经设计可将射频(RF)能量以热的形式耗散,从而充作无源低通滤波器。铁氧体磁珠上线圈的几何形状及电磁特性可产生针对高频信号的阻抗,从而衰减高频 EMI/RFI 电子噪声。能量要么被反射回电缆,要么以低热量形式散失。仅在极端情况下,发热现象才会较为显著。在电感器中添加铁氧体磁珠可从两方面提升其阻挡不必要高频噪声的能力。首先,铁氧体能够集中磁场,增大电感,进而增加电抗,以实现滤除噪声之目的。其次,若铁氧体设计合理,可在铁氧体自身产生电阻形式的额外损耗。此种损耗会使铁氧体发热,通常而言,发热量可忽略不计。尽管信号电平足以对敏感电路造成干扰或不良影响,但被阻挡的能量通常相对较小。依据不同的应用场景,可能需要亦可能不需要铁氧体的电阻损耗特性。运用铁氧体磁珠改善噪声滤波的设计必须考量特定的电路特性以及需要阻隔的频率范围。不同的铁氧体材料在频率方面具有不同的特性。
主要分类
磁珠分管状、片状、排状(磁珠阵列,俗称磁珠排)等多种类型。
管状磁珠
管状磁珠又分单孔珠、双孔珠、多孔珠,可满足不同需要,其外形呈管状,引线穿心而过。
片状磁珠
片状磁珠分通用型、尖峰型、大电流型(1~6A)和高频型四种类型。
磁珠阵列
磁珠阵列是将多个磁珠封装在一起而制成的集成化片式器件。例如BMA2010型磁珠阵列就包含4个磁珠,外型尺寸仅为2.0mmx1.0mm,采用磁珠阵列可节省占用印制板的面积。
主要特点
磁珠具有高频损耗大,高电阻率、高磁导率(约为100~1500H/m)的特点,能在极宽的频带范围内抑制噪声干扰。此外,磁珠能抑制开关噪声的产生,它属于主动抑制高频干扰。这是因为磁珠是接在产生尖峰脉冲的主回路(即输出电路)中的,利用其电感量可降低尖峰电流的上升率,故称之为“主动抑制型”。而其他电路(例如电磁干扰滤波器),只能被动的抑制干扰,因此称作“被动抑制型”。这是二者的根本区别。磁珠可等效于电感与电阻的串联电路,其等效电感和等效电阻与磁珠的长度成比例关系。磁珠可等效于低通滤波器,它允许直流电流通过而将高频噪声滤掉。这种滤波器的性能优于普通的滤波电感。滤波电感容易产生谐振而形成新的干扰源,而磁珠不会产生谐振。磁珠是按照它在某一频率产生的阻抗来度量的,其单位是Ω,而不是H。
磁珠对高频成分具有吸收作用,也称之为吸收型滤波器。相比之下,电磁干扰滤波器中共模电感的作用是将电磁干扰反射回信号源,后者属于反射型滤波器。磁珠是将高频能量转换成电涡流并以热量形式散发掉的器件,简称耗能器件,涡流损耗与噪声频率的平方成正比。而普通电感为存储能量的元件,简称储能元件。磁珠的最高工作频率可达1GHz,而电感的工作频率一般不超过50MHz。
磁珠可以多个串联或并联使用,且磁珠不仅可用在高频开关电源、电子测量仪器以及各种对噪声要求非常严格的电路中,还可广泛用于手机、DVD、数码摄像机等数字家用电器中。在电磁兼容性(emc)设计中,磁珠是抑制高频电磁干扰常用的一种磁性材料。
参数
软磁材料种类繁多,各有自身的磁特性,主要有磁损耗、电阻率、磁导率、频宽、阻抗等,选择磁珠时要注意通过电流的大小。磁珠通过的电流正比于元件的体积,否则会造成磁饱和。磁珠的内径尺寸一定要与电缆线的外径尺寸紧密配合,不能有大的间隙,否则产生漏感,对抑制电磁干扰效果不利。选择磁珠要充分了解电路以及电路的负载阻抗。哪段频率干扰超标、噪声衰减量是多少都要经过测试配置磁珠,不可随意乱用,最后还需考虑环境温度、湿度、器件的结构强度等。
管状磁珠
参考资料
片状磁珠
参考资料
应用领域
信号路径
磁珠用于信号路径的高频滤波和EMI辐射。在信号路径中,磁珠一般要防止来自两个方向的噪声:一是由设备本身辐射出来的噪声,也就是电磁干扰EMI;二是外界的噪声进入设备,从而伤害设备,这就是电磁耐受(ElectromagneticSusceptibility,EMS)。VGA总线对EMI/EMS非常敏感,在VGA总线上串联磁珠FCM1608CF-470T05,该磁珠在100MHz时的特性阻抗为47,可以很好地实现Dell EMC。
电缆
在电缆中集成磁珠可以形成一个被动低通滤波器,从而在电缆上实现高频滤波。衰减高频的EMI/RFI,USB电缆中突出的部分就是磁珠安装的位置。
主板电源线路
在主板电源线路中,特别是PL等高频元件的电源,需要防止高频噪声反馈到电源,从而造成电源完整性问题,通常会采用在电源和高频元件的电源引脚之间串联一颗磁珠,滤掉来自高频元件的高频噪声。
电路
从电路的角度看,磁珠的等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路,电感L和电阻R都是频率的函数。当导线穿过磁珠时,所构成的电感阻抗在形式上是随着频率的升高而增加的,但是在不同频率时其机理是完全不同的在低频段,阻抗由电感的感抗构成,低频时R很小,磁珠的磁导率较高,因此电感量较大电感L起主要作用,电磁干扰被反射而受到抑制,并且这时磁心的损耗较小,整个器件是一个低损耗、高Q特性的电感,这种电感容易造成谐振,因此在低频段,有时可能会出现使用磁珠后干扰增强的现象。在高频段,阻抗由电阻成分构成,随着频率升高,磁珠的磁导率降低,从而导致电感的电感量减小,这时磁心的损耗增加,电阻成分增加,最终导致总的阻抗增加,当高频信号通过磁珠时,电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。
其它应用
磁珠广泛应用于印制电路板、电源线和数据线上。在印制板的电源线入口端加上磁珠,可以滤除高频干扰。在信号线、电源线加上磁环或磁珠,可抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰,同时磁珠也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。
与电感的区别
理想电感器无电阻,故而不会以热的形式耗散能量。理想电感器仅具电感电抗,其通过将部分能量回馈至信号源(可能降低耗电量),而非如铁氧体磁珠的电阻那般以热的形式耗散能量,进而减少高频信号的流动。尽管电感器的电抗通常被简称为阻抗,但阻抗一般可为电阻与电抗的任意组合。