磁珠知識點彙總及選型

2021-10-02 10:52:08 字數 3549 閱讀 3043

總的來說,磁珠跟電感的原理基本是一樣的,很多廠家也把磁珠歸為電感一類。那麼他們的區別在哪兒呢?

先來看我們使用兩者器件的目的:

我們一般使用電感,總希望他是理想電感,損耗越小越好。而我們使用磁珠,就是要利用其損耗,來消掉我們不需要的高頻分量。

電感的損耗,分為銅損和鐵損,銅損指直流導通電阻,一般不會大。而鐵損就是指磁芯損耗了,主要包括磁滯損耗和渦流損耗。而這兩者主要與磁芯的材質種類有關。

下面來看看磁珠是怎麼利用磁滯損耗和渦流損耗來工作的。

下面是最簡單的磁珠模型:

電流流過導線,會產生圍繞導線的環形磁場,在導線上套上乙個磁導率比較大的磁環,磁環內部就會有比較大的環形磁場b。

如果電流是變化的,那麼磁場b也是變化的。根據電磁感應定律,變化的磁場產生電場,並且這個電場是環形的電場。如上圖所示,會在紅色截面上產生環形的電場。這是如果磁環的電阻率不是無窮大,那麼環形的電場就會產生環形的電流,也就是產生熱量了,這個損耗叫渦流損耗。

我們實際中常用的磁珠是上面這種貼片式結構的,一樣也是會有渦流損耗,道理跟上面差不多。

磁滯損耗如何理解呢?

磁芯在外磁場的作用下,材料中的一部分與外磁場方向相差不大的磁疇發生了『彈性』轉動,這就是說當外磁場去掉時,磁疇仍能恢復原來的方向;

而另一部分磁疇要克服磁疇壁的摩擦發生剛性轉動,即當外磁場去除時,磁疇仍保持磁化方向。

因此磁化時,送到磁場的能量包含兩部分:前者轉為勢能,即去掉外磁化電流時,磁場能量可以返回電路;

而後者變為克服摩擦使磁芯發熱消耗掉,這就是磁滯損耗。

上圖為典型的磁滯曲線,從前面磁滯損耗的理解來看。剩磁br越小,那麼磁疇的剛性轉動越少,損耗就越小。或者說磁滯損耗正比於磁滯迴線包圍的面積。

關於磁珠的損耗,磁滯損耗佔大頭。

磁珠的外形與電感相似,其主要功能是吸收電源/訊號上的雜訊等干擾。

電容與電感都有濾波的作用,但這種濾波,並沒有真正將雜訊消除。

電容的濾波,其原理是在高頻時構建一條通到地平面的低阻抗通道,以便將雜訊洩放到地平面。

電感與電容配合的濾波,其原理是構建乙個低通濾波器,使頻段比較低的訊號順利而無衰減地通過,而阻斷頻段比較高的雜訊,低通濾波器對高頻段雜訊而言,近似於乙個極大的電阻,高頻段雜訊遇到這個極大的電阻,只能被反射回去。

基於該原理,應用低通濾波器能有效地保證濾波器后級電路的穩定性。

根據濾波作用原理可知,電容濾波的基礎是構建極低的低阻抗通道,至於多低的阻抗才能使單板上絕大多數雜訊通過該通道而流回地平面,需要進行大量複雜的電源完整性**才能確定。

設計中,一般採用寧濫勿缺的原則,即布放盡量多的電容,這樣不僅耗費pcb面積,而且增加成本。

而由電感構成的低通濾波,其工作原理是將雜訊予以反射,雜訊仍然在電路中四處遊串;

低通濾波的另乙個缺陷是應用的頻率範圍一般都只能在幾十兆赫茲之內,無法有針對性地濾除某些特定頻率上地高頻雜訊。

基於以上討論可以看出,兩種濾波方式都沒有真正地消滅雜訊,只是改變了雜訊傳播路徑。

磁珠地作用也是濾波,但與電容電感不同的是,磁珠在一定頻帶內能反射雜訊,在一定頻帶內還能吸收雜訊並轉換為熱能。

器件手冊上,磁珠的引數是其在100mhz時對應的阻抗值。

磁珠的等效電路如圖:

電抗成分以x表示;電阻成分以r表示;其整體特性用rx合成的阻抗z的頻率特性表示。

下圖是兩種磁珠的特性曲線,它們在100mhz時這兩種器件的阻抗相等,但是不能完全相互替代。

磁珠的阻抗z由電阻成分r和電抗成分x共同決定。

在低頻段,x起主導作用,磁珠主要體現為電感性,功能是反射雜訊;

在高頻段,r起決定作用,磁珠主要體現為電阻性,功能是吸收雜訊並將雜訊轉換為熱。

這兩種功能的轉換點就是曲線上,r和x值相等處的頻率。

轉換點所在頻率以下,磁珠體現電感性,轉換點所在頻率以上,磁珠體現電阻性。

電感性的作用是反射雜訊,電阻性的作用是吸收雜訊並轉換為熱能。

因此,轉換點所在頻率越高,磁珠體現電感性的頻帶越寬,對低頻雜訊的吸收能力越弱;

轉換點所在頻率越低,磁珠體現電阻性的頻帶越寬,對低頻雜訊的吸收能力越強。

在磁珠選型時,需要仔細分析電路上訊號和雜訊所處的頻帶,所選擇的磁珠應滿足:

電路雜訊的頻帶大於磁珠轉換點頻率,以便使磁珠吸收雜訊而不是反射雜訊;

電路訊號的頻帶盡量小於磁珠轉換點頻率,以防有效訊號被磁珠衰減。

對於串聯了磁珠的線路,磁珠的轉換點頻率越低,線路振盪和波形失真就越小;反之則越大。

除了轉換點頻率外,磁珠選型還需要考慮額定電流,直流電阻和諧振頻率(上圖自共振頻率)等因素。

與電感類似,磁珠應用於電源電路濾波時,工作電流不能大於其額定電流;

磁珠本身具有直流電阻,當電源電路的電流較大時,還應考慮在磁珠上產生的壓降。

當工作頻率該與諧振頻率時,磁珠表現電容性,阻抗迅速減小,因此應該選擇諧振頻率點高的磁珠。

磁珠的轉換點頻率與諧振頻率,在意義上有所不同。

1)電感和磁珠都可以用於濾波,但機理不一樣,電感濾波是將電能轉換為磁能,磁能將通過兩種方式影響電路: 一種是重新轉換回電能,表現為雜訊;一種是向外輻射,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)電感在低頻段濾波效能較好,但在50mhz以上的頻段濾波效能較差;磁珠利用其電阻成分能充分吸收高頻雜訊,並將之轉換為熱能以達到徹底消除高頻雜訊的目的。

3)從emc的層面說,由於磁珠能將高頻雜訊轉換為熱能,因此具有非常好的抗輻射的功能,是常用的抗emi器件,常用於使用者介面訊號線濾波,單板上的高速時鐘器件的電源濾波等。

4)電感與電容構成的低通濾波器時,由於電感和電容時儲能器件,因此兩者可能產生自激;磁珠時耗能器件,與電容協同工作時,不會產生自激。

5)一般而言,電源用電感的額定電流相對較大,因此,電感常用於需要大電流的電源電路上,如電源模組濾波;而磁珠一般僅用於晶元級電源濾波。

6)磁珠和電感都具有直流電阻,磁珠的直流電阻相對於同樣濾波效能的電感更小一些,因此用於電源濾波時,磁珠上的壓降更小。

1)額定電流。當電感的工作電流超過其額定電流時,電感值將迅速減小,但電感器件未必被損壞;而磁珠的工作電流超過其額定電流時,將會對其磁珠造成損傷。

2)直流電阻。用於電源線路時,線路上存在一定的電流,如果電感或者磁珠本身的直流電阻較大,則會產生一定壓降。因此選型中,都要求選擇直流電阻小的器件。

3)頻率特性曲線。電感和磁珠的廠家資料都附有頻率特性曲線圖。選型中需要仔細參考這些曲線,以選擇合適的器件。

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