磁珠(Ferrite Bead)是近年来出现的一种抗干扰元件,廉价、实用,滤除高频噪声效果显著,外形多为矩形(类似于贴片电阻)或圆柱形,如图1所示。磁珠体积小,适于贴片安装,并具有良好的高频滤波特性,目前已广泛用于平板彩电、数码产品等电器中。
一、组成与主要用途
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,其制造工艺和机械性能与陶瓷相似,颜色为灰黑色,如图2所示。铁氧体具有很高的导磁率,高频损耗非常大,也是制作电感的主要材料。当用导线穿过铁氧体磁芯时,就构成了电感或磁珠。
不同的铁氧体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。另外,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,可承受的偏流就越大。
有的磁珠上有多个孔洞,如图3所示,用导线穿过的孔洞数越多,则阻抗就增加得越多。当然,在实际使用中,为了提高对高频信号的吸收能力,也可采用多只磁珠串联的办法。
磁珠的主要作用是吸收高频信号(多指30MHz以上),以抑制信号线或电源线中的高频噪声和尖峰干扰,同时还具有吸收静电脉冲的能力。在平板彩电中,常在射频(RF )信号处理、高频振荡、锁相环、超高频存储器(如DDR SDRAM、RAMBUS等)电路的电源输入中串联磁珠,以消除存在于传输线结构或电路中的干扰。电磁干扰沿着线路传输和辐射(EMI),在要消除这些不需要的信号能量中,磁珠扮演高频电阻的角色(衰减器),滤除交流信号,允许直流信号通过。因此,磁珠应当安装在靠近干扰源的地方。对于信号输入/输出电路,应尽量靠近屏蔽壳的进、出口处安装。
磁珠不仅可用在直流或交流电源电路中,以滤除高频噪声,还可用在信号传输电路中,以滤除线缆或铜箔引起的噪声,也可广泛地用于其他电路,特别是在数字电路中。
二、主要参数与型号命名
磁珠的主要参数有阻抗、直流电阻、额定电流这三项。通常标注在磁珠表面的参数是阻抗,如图4所示,其单位是欧姆(Ω),而不是亨利(H),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(单位是欧姆)来标称的,例如“100R@ 100MHz”,表示在频率为100MHz电路中,该磁珠的阻抗为100Ω。
磁珠的型号命名由字母与数据组成,下面以常用于电源滤波的HH--1 H3216-500型磁珠为例,说明各字段的含义:
“HH”表示一个系列,主要用于电源滤波,若用于信号电路,则采用“HB”系列;“1”表示一个组件封装了一个磁珠,若为“4”则表示并排封装4只;“H”表示使用环境,其中:“HB”、“C”、“M”表示用于中频(50MHz-200MHz)电路中,“T”表示用于低频(小于50MHz)电路中,“S”表示用于高频(大于200MHz)电路中;“3216”表示封装尺寸,即长3.2mm,宽1.6mm,这就是常说的1206封装;“500”表示阻抗为50Ω、一般是指频率为100MHz时的阻抗。
三、磁珠和电感的区别
虽然磁珠的电路符号与电感一样,工作原理与电感相同,但在具体应用中还是有所差别。
1.频率特性不同
从物理特性上看,一只电感或磁珠等效于一只电阻R和一只理想电感L串联,其等效阻抗会随着频率的升高而增加,但是在不同频率时其特性有所不同:
在低频段,由于R澎副、,磁芯的磁导率较高,因此电感量较大,阻抗主要由L决定。低频时电磁干扰被反射而受到抑制,并且这时磁芯的损耗较小,在这种情况下,应采用低损耗、高品质因数(Q值)的电感,若用磁珠,会出现干扰增强现象。
在高频段,由于频率升高,磁芯的磁导率降低,电感量减小,感抗所起作用减小,这时磁芯的损耗增加,电阻成分增加,最终会使器件的阻抗增加,当高频信号通过铁氧体时,电磁干扰被吸收并转换成热能从而耗散掉。在这种情况下,就适宜采用具有很高的电阻率和磁导率的磁珠。
磁珠比普通的电感有更好的高频滤波特性,在高频时呈现阻性,所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗,从而增加高频滤波效果。由于脉冲信号含有频率很高的高次谐波,是电路高频辐射的主要根源,在这种环境下,磁珠正好能发挥其优点。
2.用于的电路不同
电感是储能元件,把电能以电磁能的形式存储起来,然后再释放出去,而磁珠是能量转换(消耗)器件,把交流信号转化为热能。电感多用于电源滤波、LC振荡、中低频滤波等电路中,侧重于抑止传导性干扰,其工作频率一般不超过50MHz;磁珠多用于信号回路,用来吸收超高频信号,主要用于EMI方面。
另外,磁珠也可用于普通滤波器中。因为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,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,所以这种滤波器又称为吸收滤波器。