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浅析EMI磁珠6大基本特性

发布时间:2020-01-22 责任编辑:lina

【导读】磁珠(Ferritebead)的等效电路是一个 DCR 电阻串联一个电感并联一个电容和一个电阻。DCR 是一个恒定值,但后面三个元件都是频率的函数,也就是说它们的感抗,容抗和阻抗会随着频率的变化而变化,当然它们阻值,感值和容值都非常小。
  
磁珠(Ferritebead)的等效电路是一个 DCR 电阻串联一个电感并联一个电容和一个电阻。DCR 是一个恒定值,但后面三个元件都是频率的函数,也就是说它们的感抗,容抗和阻抗会随着频率的变化而变化,当然它们阻值,感值和容值都非常小。
 
浅析EMI磁珠6大基本特性 
 
从等效电路中可以看到,当频率低于 fL(LC 谐振频率)时,磁珠呈现电感特性;当频率等于 fL 时,磁珠是一个纯电阻,此时磁珠的阻抗(impedance)最大;当频率高于谐振频率点 fL 时,磁珠则呈现电容特性。EMI 选用磁珠的原则就是磁珠的阻抗在 EMI 噪声频率处最大。比如如果 EMI 噪声的最大值在 200MHz,那你选择的时候就要看磁珠的特性曲线,其阻抗的最大值应该在 200MHz 左右。下图是一个磁珠的实际的特性曲线图。大家可以看到这个磁珠的峰值点出现在 1GHz 左右。在峰点时,阻抗(Z)曲线的值与电阻(R)的相等。也就是说这个磁珠在 1GHz 时,是个纯电阻,而且阻抗值最大。
 
 浅析EMI磁珠6大基本特性
 
EMC 磁珠到底是什么特性?(2)
 
前面简单介绍了 EMI 磁珠的基本特性曲线。从磁珠的阻抗曲线来看,其实它的特性就是可以用来做高频信号滤波器。需要注意的是,通常大家看到的厂家提供的磁珠阻抗曲线,都是在无偏置电流情况下测试得到的曲线。但大部分磁珠通常被放在电源线上用来滤除电源的 EMI 噪声。而在有偏置电流的情况下,磁珠的特性会发生一些变化。下面是某个 0805 尺寸额定电流 500mA 的磁珠在不同的偏置电流下的阻抗曲线。大家可以看到,随着电流的增加,磁珠的峰值阻抗会变小,同时阻抗峰值点的频率也会变高。
 
 浅析EMI磁珠6大基本特性
 
在进一步阐述磁珠的特性之前,让我们先来看一下磁珠的主要特性指标的定义:Z(阻抗,impedanceohm):磁珠等下电路中所有元件的阻抗之和,它是频率的函数。通常大家都用磁珠在 100MHz 时的阻抗值作为磁珠阻抗值。DCR(ohm):磁珠导体的的直流电阻。额定电流:当磁珠安装于印刷线路板并加入恒定电流,自身温升由室温上升 40C 时的电流值。那么 EMI 磁珠有成千上万种,阻抗曲线也各不相同,我们应该如根据我们的实际应用选择合适的磁珠呢?
 
EMC 磁珠到底是什么特性?(3)
 
让我们首先来看一下阻抗值同为 600ohm@100MHz 但尺寸大小不同的磁珠在不同偏置电流电流和工作频率下的特性。
 
 浅析EMI磁珠6大基本特性
 
EMC 磁珠到底是什么特性?(4)
 
让我们再来看一下下面两个不同曲线特征的磁珠 A 和磁珠 B 应用于信号线时的情况。
 
 浅析EMI磁珠6大基本特性
 
磁珠 A 和磁珠 B 的阻抗峰值都在 100MHz 和 200MHz 之间,但磁珠 A 阻抗频率曲线比较平坦,磁珠 B 则比较陡峭。
 
我们将两个磁珠分别放在如下的 20MHz 的信号线上,看看对信号输出会产生什么样的影响。
 
波形测试点
 
 浅析EMI磁珠6大基本特性
 
下面是用示波器分别量测磁珠输出端的波形图
 
 浅析EMI磁珠6大基本特性
 
从输出波形来看,磁珠 B 的输出波形失真要明显小于磁珠 A。
 
原因是磁珠 B 的阻抗频率波形比较陡峭,其阻抗在 200MHz 时较高,只对 200MHz 附近的信号的衰减较大,但对频谱很宽的方波波形影响较小。而磁珠 A 的阻抗频率特性比较平坦,其对信号的衰减频谱也比较宽,因此对方波的波形影响也较大。
 
下面是上述三种情况对应的 EMI 测试结果。结果是磁珠 A 和磁珠 B 都会对 EMI 噪声产生很大的衰减。磁珠 A 在整个 EMI 频谱范围内的衰减要稍好于磁珠 B。
 
 浅析EMI磁珠6大基本特性
 
因此,在具体选用磁珠时,阻抗频率特性平坦型的磁珠 A 比较适合应用于电源线,而频率特性比较陡峭的磁珠 B 则较适合应用于信号线。磁珠 B 在应用于信号线时,可以在尽量保持信号完整性的情况下,尽可能只对 EMI 频率附近的噪声产生最大的衰减。
 
EMC 磁珠到底是什么特性?(5)
 
EMC 磁珠应用于电子线路中抑制 EMI,主要有两种应用:1. 最常见用于电源线。2. 用于信号线像音频,视频线等。那应该如何根据实际应用从千万种不同特性的 EMC 磁珠中选择合适的磁珠用于自己的系统设计呢?
 
向前面所述,如果要选用磁珠用于电源线,应该做如何选择呢?
 
首先,要知道开关电源的工作频率。通常大多数开关电源工作于几百 KHz,少数的可以工作到几 MHz. 这个频率基本上是在传导辐射的频率范围。对于起始于 30MHz 辐射频率来讲,属于低频的范围。一般来讲,电源产生的辐射 EMI 噪声,通常在小于 100MHz-300MHz 范围。因此,选择磁珠用选用峰值频率小于 300MHz 低频型的磁珠。
 
其次,就是要知道电源的工作电流。对于哪些放置于开关或非直流信号的磁珠,通常要讲交流信号转换有效值,以此来选择磁珠的额定电流。
 
对于用于电源线磁珠尺寸,像我们前面讲到的,在满足排版空间设计要求情况下,要尽量选用大尺寸的磁珠。
 
用于电源线的磁珠,DCR 是十分关键的参数,特别是对于电池供电的便携式设备,像手机,平板电脑等。应尽量选用 DCR 小的磁珠用于电源线,以提高电源效率。
 
当然,从抑制 EMI 的角度来讲,磁珠的峰值阻抗越高越好。但通常,磁珠的阻抗与 DCR 成反比关系。需哟根据实际的应用情况,在 DCR 和阻抗间做一折中选择。
 
最后,就像前面所讲的,磁珠的阻抗曲线要尽量平坦,以最大限度的滤除电源的高次谐波噪声。
 
EMC 磁珠到底是什么特性?(6)
 
假如磁珠用于信号线,那应该如何选择磁珠的种类呢?首先,我们应该知道磁珠要用于何种信号线,比如是音频,视频还是其他。这也就是说应该知道信号的工作频率。原则上,磁珠的阻抗峰值频率应至少高于信号的有效带宽,否则会影响影响信号完整性,从而影响系统的正常工作。即使对于像音频之类的低频信号,因为音频信号通常是由音频解码器解码而来,其 EMI 噪声通常是音频解码器的几十 MHz 的时钟频率谐波。
 
因此,即使是低频的音频信号,其 EMI 噪声通常也会是高达几十甚至几百 MHz 的高频噪声。其次,要知道信号电流。对于大多数信号而言,像视频,RS232 等,仅仅是信号而已,并没有太大的电流输出,因此通常不需要考虑磁珠的额定电流。但对于音频信号,通常是有功率输出的,此时磁珠的选择就要考虑输出电流。此时要将音频信号折算成有效值来选取适当额定电流的磁珠。
 
峰值阻抗应选择在可能出现 EMI 问题的频率点附近。用于高速信号的磁珠要注意阻抗匹配,比如用于视频信号线的磁珠阻抗在 100MHz 左右要在 50 欧姆左右。用于信号线的磁珠,通常不需要考虑磁珠 DCR,磁珠的尺寸要越小越好。最后就是磁珠的阻抗曲线要尽量陡峭,以免影响信号完整性。
 
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