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浅析磁珠和电感之间的区别

关键词:磁珠 电感 阻抗

时间:2019-08-13 09:57:17       来源:网络

磁珠的原理

磁珠的主要原料为铁氧体。铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。铁氧体材料为铁镁合金或铁镍合金,它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似,颜色为灰黑色。电磁干扰滤波器中经常使用的一类磁芯就是铁氧体材料,许多厂商都提供专门用于电磁干扰抑制的铁氧体材料。这种材料的特点是高频损耗非常大,具有很高的导磁率,他可以是电感的线圈绕组之间在高频高阻的情况下产生的电容最小。对于抑制电磁干扰用的铁氧体,最重要的性能参数为磁导率μ和饱和磁通密度Bs。磁导率μ可以表示为复数,实数部分构成电感,虚数部分代表损耗,随着频率的增加而增加。因此,它的等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路,L和R都是频率的函数。当导线穿过这种铁氧体磁芯时,所构成的电感阻抗在形式上是随着频率的升高而增加,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,磁芯的磁导率较高,因此电感量较大,L起主要作用,电磁干扰被反射而受到抑制,并且这时磁芯的损耗较小,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,有时可能出现使用铁氧体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,磁芯的磁导率降低,导致电感的电感量减小,感抗成分减小 但是,这时磁芯的损耗增加,电阻成分增加,导致总的阻抗增加,当高频信号通过铁氧体时,电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。

铁氧体抑制元件广泛应用于印制电路板、电源线和数据线上。如在印制板的电源线入口端加上铁氧体抑制元件,就可以滤除高频干扰。铁氧体磁环或磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰,它也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。

两个元件的数值大小与磁珠的长度成正比,而且磁珠的长度对抑制效果有明显影响,磁珠长度越长抑制效果越好。

磁珠的选用

1. 磁珠的单位是欧姆,而不是亨特,这一点要特别注意。因为磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的,阻抗的单位也是欧姆。磁珠的DATASHEET 上一般会提供频率和阻抗的特性曲线图,一般以100MHz 为标准,比如1000R@100MHz,意思就是在100MHz 频率的时候磁珠的阻抗相当于600 欧姆。

2. 普通滤波器是由无损耗的电抗元件构成的,它在线路中的作用是将阻带频率反射回信号源,所以这类滤波器又叫反射滤波器。当反射滤波器与信号源阻抗不匹配时,就会有一部分能量被反射回信号源,造成干扰电平的增强。为解决这一弊病,可在滤波器的进线上使用铁氧体磁环或磁珠套,利用滋环或磁珠对高频信号的涡流损耗,把高频成分转化为热损耗。因此磁环和磁珠实际上对高频成分起吸收作用,所以有时也称之为吸收滤波器。

不同的铁氧体抑制元件,有不同的最佳抑制频率范围。通常磁导率越高,抑制的频率就越低。此外,铁氧体的体积越大,抑制效果越好。在体积一定时,长而细的形状比短而粗的抑制效果好,内径越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情况下,还存在铁氧体饱和的问题,抑制元件横截面越大,越不易饱和,可承受的偏流越大。

EMI 吸收磁环/磁珠抑制差模干扰时,通过它的电流值正比于其体积,两者失调造成饱和,降低了元件性能;抑制共模干扰时,将电源的两根线(正负)同时穿过一个磁环,有效信号为差模信号,EMI 吸收磁环/磁珠对其没有任何影响,而对于共模信号则会表现出较大的电感量。磁环的使用中还有一个较好的方法是让穿过的磁环的导线反复绕几下,以增加电感量。可以根据它对电磁干扰的抑制原理,合理使用它的抑制作用。

铁氧体抑制元件应当安装在靠近干扰源的地方。对于输入/输出电路,应尽量靠近屏蔽壳的进、出口处。对铁氧体磁环和磁珠构成的吸收滤波器,除了应选用高磁导率的有耗材料外,还要注意它的应用场合。它们在线路中对高频成分所呈现的电阻大约是十至几百Ω,因此它在高阻抗电路中的作用并不明显,相反,在低阻抗电路(如功率分配、电源或射频电路)中使用将非常有效。

磁珠和电感的区别

电感是储能元件,而磁珠是能转换(消耗)器件。电感多用于电源滤波回路,侧重于抑止传导性干扰;磁珠多用于信号回路,主要用于EMI方面。磁珠用来吸收超高频信号,象一些RF电路,PLL,振荡电路,含超高频存储器电路(DDR,SDRAM,RAMBUS 等)都需要在电源输入部分加磁珠,而电感是一种储能元件,用在LC振荡电路、中低频的滤波电路等,其应用频率范围很少超过50MHz。

1.片式电感:在电子设备的PCB板电路中会大量使用感性元件和EMI滤波器元件。这些元件包括片式电感和片式磁珠,以下就这两种器件的特点进行描述并分析他们的普通应用场合以及特殊应用场合。表面贴装元件的好处在于小的封装尺寸和能够满足实际空间的要求。除了阻抗值,载流能力以及其他类似物理特性不同外,通孔接插件和表面贴装器件的其他性能特点基本相同。在需要使用片式电感的场合,要求电感实现以下两个基本功能:电路谐振和扼流电抗。谐振电路包括谐振发生电路,振荡电路,时钟电路,脉冲电路,波形发生电路等等。谐振电路还包括高Q带通滤波器电路。要使电路产生谐振,必须有电容和电感同 时存在于电路中。在电感的两端存在寄生电容,这是由于器件两个电极之间的铁氧体本体相当于电容介质而产生的。在谐振电路中,电感必须具有高Q,窄的电感偏差,稳定的温度系数,才能达到谐振电路窄带,低的频率温度漂移的要求。高Q电路具有尖锐的谐振峰值。窄的电感偏置保证谐振频率偏差尽量小。稳定的温度系数保证谐振频率具有稳定的温度变化特性。标准的径向引出电感和轴向引出电感以及片式电感的差异仅仅在于封装不一样。电感结构包括介质材料(通常为氧化铝陶瓷材料)上绕制线圈,或者空心线圈以及铁磁性材料上绕制线圈。在功率应用场合,作为扼流圈使用时,电感的主要参数是直流电阻(DCR),额定电流,和低Q值。当作为滤波器使用时,希望宽的带宽特性,因此,并不需要电感的高Q特性。低的DCR可以保证最小的电压降,DCR定义为元件在没有交流信号下的直流电阻。

2.片式磁珠:片式磁珠的功能主要是消除存在于传输线结构(PCB 电里)中的RF噪声,RF能量是叠加在直流传输电平上的交流正弦波成分,直流成分是需要的有用信号,而射频RF能量却是无用的电磁干扰沿着线路传输和辐射(EMI)。要消除这些不需要的信号能量,使用片式磁珠扮演高频电阻的角色(衰减器),该器件允许直流信号通过,而滤除交流信号。通常高频信号为30MHz以上,然而,低频信号也会受到片式磁珠的影响。片式磁珠由软磁铁氧体材料组成,构成高体积电阻率的独石结构。涡流损耗同铁氧体材料的电阻率成反比。涡流损耗随信号频率的平方成正比。

磁珠的参数

标称值:因为磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的,阻抗的单位也是欧姆,一般以100MHz为标准,比如2012B601,就是指在100MHz的时候磁珠的阻抗为600欧姆。

额定电流:额定电流是指能保证电路正常工作允许通过电流。

磁珠和电感在解决EMI和EMC方面各与什么作用,首先我们来看看磁珠和电感的区别,电感是闭合回路的一种属性,多用于电源滤波回路,而磁珠主要多 用于信号回路,用于EMC对策磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰,而电感用于这方面则侧重于抑制传导性干扰。磁珠是用来吸收超高频信号,象一些RF电 路,PLL,振荡电路,含超高频存储器电路(DDR SDRAM,RAMBUS等)都需要在电源输入部分加磁珠,两者都可用于处理EMC、EMI问题。

磁珠和电感在解决EMI和EMC方面各与什么作用,首先我们来看看磁珠和电感的区别,电感是闭合回路的一种属性,多用于电源滤波回路,而磁珠主要多 用于信号回路,用于EMC对策磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰,而电感用于这方面则侧重于抑制传导性干扰。磁珠是用来吸收超高频信号,象一些RF电 路,PLL,振荡电路,含超高频存储器电路(DDR SDRAM,RAMBUS等)都需要在电源输入部分加磁珠,两者都可用于处理EMC、EMI问题。

磁珠和电感在EMI和EMC电路中关键是是对高频传导干扰信号进行抑制,也有抑制电感的作用。但从原理方面来看,磁珠可等效成一个电感,等于还是存在一定的 区别,最大区别在于电感线圈有分布电容。因此,电感线圈就相当于一个电感与一个分布电容并联。如图1所示。图1中,LX为电感线圈的等效电感(理想电 感),RX为线圈的等效电阻,CX为电感的分布电容。

图1 电感线圈的等效电路图

理论上对传导干扰信号进行抑制,要求抑制电感的电感量越大越好,但对于电感线圈来说,电感量越大,则电感线圈的分布电容也越大,两者的作用将会互相抵消。

图2 普通电感线圈的阻抗与频率的关系图

图 2是普通电感线圈的阻抗与频率的关系图,由图中可以看出,电感线圈的阻抗开始的时候是随着频率升高而增大的,但当它的阻抗增大到最大值以后,阻抗反而随着 频率升高而迅速下降,这是因为并联分布电容的作用。当阻抗增到最大值的地方,就是电感线圈的分布电容与等效电感产生并联谐振的地方。图中,L1 > L2 > L3,由此可知电感线圈的电感量越大,其谐振频率就越低。从图2中可以看出,如果要对频率为1MHZ的干扰信号进行抑制,选用L1倒不如选用L3,因为 L3的电感量要比L1小十几倍,因此L3的成本也要比L1低很多。

如果我们还要对抑制频率进一步提高,那么我们最后选用的电感线圈就只好是它的最小极限值,只有1圈或不到1圈了。磁珠,即穿心电感,就是一个匝数小于1圈的电感线圈。但穿心电感比单圈电感线圈的分布电容小好几倍到几十倍,因此,穿心电感比单圈电感线圈的工作频率更高。

穿心电感的电感量一般都比较小,大约在几微亨到几十微亨之间,电感量大小与穿心电感中导线的大小以及长度,还有磁珠的截面积都有关系,但与磁珠电感量关系最 大的还要算磁珠的相对导磁率Uy.图3、图4是分别是指导线和穿心电感的原理图,计算穿心电感时,首先要计算一根圆截面直导线的电感,然后计算结果乘上磁 珠相对导磁率 就可以求出穿心电感的电感量。

图3 圆截面直导线的电感图

图4 磁珠穿心电感图

另外,当穿心电感的工作频率很高时,在磁珠体内还会产生涡流,这相当于穿心电感的导磁率要降低,此时,我们一般都使用有效导磁率。有效导磁率 就是在某个工作频率之下,磁珠的相对导磁率。但由于磁珠的工作频率都只是一个范围,因此在实际应用中多用平均导磁率。

在低频时,一般磁珠的相对导磁率都很大(大于100),但在高频时其有效导磁率只有相对导磁率的几分之一,甚至几十分之一。因此,磁珠也有截止频率的问题, 所谓截止频率,就是使磁珠的有效导磁率下降到接近1时的工作频率fc,此时磁珠已经失去一个电感的作用。一般磁珠的截止频率fc都在30~300MHz之 间,截止频率的高低与磁珠的材料有关,一般导磁率越高的磁芯材料,其截止频率fc反而越低,因为低频磁芯材料涡流损耗比较大。使用者在进行电路设计的时 候,可要求磁芯材料的提供商提供磁芯工作频率与有效导磁率 的测试数据,或穿心电感在不同工作频率之下的曲线图。图5是穿心电感的频率曲线图。

图5 穿心电感的频率曲线图

磁珠另一个用途就是用来做电磁屏蔽,它的电磁屏蔽效果比屏蔽线的屏蔽效果还要好,这是一般人不太注意的。其使用方法就是让一双导线从磁珠中间穿过,那么当有 电流从双导线中流过时,其产生的磁场将大部份集中在磁珠体内,磁场不会再向外辐射;由于磁场在磁珠体内会产生涡流,涡流产生电力线的方向与导体表面电力线 的方向正好相反,互相可以抵消,因此,磁珠对于电场同样有屏蔽作用,即:磁珠对导体中的电磁场有很强的屏蔽作用。

使用磁珠进行电磁屏蔽的优点是磁珠不用接地,可以免去屏蔽线要求接地的麻烦。用磁珠作为电磁屏蔽,对于双导线来说,还相当于在线路中接了一个共模抑制电感,对共模干扰信号有很强的抑制作用。

从上述我们可以了解到,磁珠和电感在EMC、EMI电路中都能起到抑制的作用,主要是抑制方面的不同,而电感在高频谐振以后都不能再起电感的作用了,先必需 明白EMI的两个途径,即:辐射和传导,不同的途径采用不同的抑制方法。前者用磁珠,后者用电感。还需我们注意的地方是共模抑制电感与Y电容的连接位置, 那什么是共模抑制电感,就是在地线或其它输入输出线之间串联电感,这个电感称为共模抑制电感,共模抑制电感的一端与机器中的地线(公共端)相连,另一端与 一个Y电容相连,Y电容的另一端与大地相连。这是抑制传导干扰的最有效方法。

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