磁珠的物理模型

鐵氧體磁珠(Ferrite Bead) 是目前應用發展很快的一種抗干擾組件，廉價、易用，濾除高頻噪聲效果顯著。在電路中只要導線穿過它即可。當導線中電流穿過時，鐵氧體對低頻電流幾乎沒有什么阻抗，而對較高頻率的電流會產生較大衰減作用。高頻電流在其中以熱量形式散發，其等效電路為一個電感和一個電阻串聯，兩個組件的值都與磁珠的長度成比例。磁珠種類很多，制造商應提供技術指標說明，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，用導線穿過可增加組件阻抗（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不可能如預期的多，而用多串聯幾個磁珠的辦法會好些。

鐵氧體是磁性材料，會因通過電流過大而產生磁飽和，導磁率急劇下降。大電流濾波應采用結構上專門設計的磁珠，還要注意其散熱措施。鐵氧體磁珠不僅可用于電源電路中濾除高頻噪聲（可用于直流和交流輸出），還可廣泛應用于其它電路，其體積可以做得很小。特別是在數字電路中，由于脈沖信號含有頻率很高的高次諧波，也是電路高頻輻射的主要根源，所以可在這種場合發揮磁珠的作用。鐵氧體磁珠還廣泛應用于信號電纜的噪聲濾除。

磁珠主要用于抑制EMI差模噪聲，它的直流電阻（DCR）很小，高頻交流阻抗比較大。常見的600Ω是指磁珠在100MHz信號頻率下測得的交流阻抗值。根據不同的應用場景，磁珠可以分為普通型、大電流型和尖峰型。

（1）普通型磁珠。主要用于電流比較小（小于600mA）、無特殊要求的場景。普通型磁珠的直流電阻一般不超過1Ω，交流阻抗范圍一般在幾歐姆到幾千歐姆之間，主要作用是抑制和吸收電磁干擾和射頻干擾。

（2）大電流型磁珠。主要用在大電流場景，所以需要嚴格限制直流電阻，直流電阻一般不超過0.1Ω，交流阻抗也比普通型磁珠要小。

（3）尖峰型磁珠。主要用于對特定頻率范圍的信號進行衰減，實現選頻功能。其交流阻抗在某一頻率范圍內很高，在其他頻率范圍很低，呈現帶阻特性。

磁珠與電感的區別

1、電感是儲能元件，而磁珠是能量轉換（消耗）器件。電感和磁珠都可以用于濾波，但是機理不一樣。電感濾波是將電能轉化為磁能，磁能將通過兩種方式影響電路：一種方式是重新轉換回電能，表現為噪聲；一種方式是向外部輻射，表現為EMI（電磁干擾）。而磁珠是將電能轉換為熱能，不會對電路構成二次干擾。

2、電感在低頻段濾波性能較好，但在50MHz以上的頻段濾波性能較差；磁珠利用其電阻成分能充分地利用高頻噪聲，并將之轉換為熱能已達到徹底消除高頻噪聲的目的。

3、從EMC（電磁兼容）的層面說，由于磁珠能將高頻噪聲轉換為熱能，因此具有非常好的抗輻射功能，是常用的抗EMI器件，常用于用戶接口信號線濾波、單板上高速時鐘器件的電源濾波等。

4、電感和電容構成低通濾波器時，由于電感和電容都是儲能器件，因此兩者的配合可能產生自激；磁珠是耗能器件，與電容協同工作時，不會產生自激。

磁珠器主要特性參數

1、直流電阻DCResistance(mohm)：直流電流通過此磁珠時，此磁珠所呈現的電阻值。

2、額定電流RatedCurrent(mA)：表示磁珠正常工作時的最大允許電流。

3、阻抗[Z]@100MHz(ohm)：這里所指的是交流阻抗。

4、阻抗－頻率特性：描述阻抗值隨頻率變化的曲線。

5、電阻－頻率特性：描述電阻值隨頻率變化的曲線

6、感抗－頻率特性：描述感抗隨頻率變化的曲線。

下圖為某廠家磁珠特性參數及頻率特性曲線：

磁珠的選型

磁珠在選型需要考慮噪聲干擾和通流兩方面因素。

（1）噪聲干擾方面需要考慮噪聲的頻率和強度。不同型號的磁珠有不同的頻率阻抗曲線。在選型時要選擇噪聲中心頻率對應的阻抗較高的磁珠，從而更好地抑制噪聲。噪聲干擾越大，需要選擇阻抗更高的磁珠。但高阻抗磁珠也會對有用信號產生較大的衰減，所以阻抗并不是越高越好，需要綜合考慮信噪比。目前沒有明確的計算公式和選擇標準，需要根據實際效果來選型，一般交流阻抗在120Ω~600Ω之間的磁珠比較常用。例如，要求對于100MHz的、300mVpp的噪聲，經過磁珠以后達到50mVpp的水平，假設負載為45Ω，那么就應該選225Ω@100MHz，DCR<1Ω的磁珠。選擇225Ω是因為(45Ω/50mV)*250mV=225Ω。

（2）通流方面需要考慮額定電流的大小。直流電阻越大的磁珠一般額定電流越小。選型時需要根據實際情況來進行。例如，系統電源的輸出電壓為3.3V，負載模塊的電源輸入需要的額定電流為300mA，負載模塊的輸入電源需要的輸入電壓不能低于3.0V。該負載模塊的電源輸入管腳需要選擇直流電阻小于1Ω的磁珠，再考慮降額設計，一般選擇0.5Ω的磁珠。

所以，磁珠選型時，可以按下列步驟進行。

（1）首先需要確定需要濾除的噪聲的頻段，然后在這個頻段內選擇合適的交流阻抗（可以通過仿真得到大概的阻抗范圍，仿真模型可以咨詢廠商）。

（2）確定該電路通過的最大電流。電路流過的電流決定了磁珠的額定電流，額定電流確定后，就可以根據后級電路需要的電壓范圍來計算磁珠的DCR范圍。

（3）選擇封裝。封裝可以根據單板的布局和結構等實際情況進行選擇。但需要注意的是，磁珠的阻抗在加電壓后與規格書上的阻抗是有差別的。要正確地選擇磁珠，必須注意以下幾點。

①不需要的信號的頻率范圍為多少？

②噪聲源是什么？

③需要多大的噪聲衰減？

④環境條件是什么（溫度、直流電壓、結構強度）？

⑤電路和負載阻抗是多少？

最后，磁珠選型時還需要注意降額使用。磁性器件的降額標準如表所示。

磁性器件的降額標準

本文轉載自： 硬件十萬個為什么微信公眾號

審核編輯 黃宇