【设计秘诀】片式铁氧体磁珠的应用

由 judy 提交于周一, 17 四月 2017 - 11:51

作者：钱振宇，史建华

在接地、屏蔽和滤波三大干扰抑制技术中，滤波是抑制电磁干扰最常见、最有效和最经济的手段。这是因为运用滤波技术非常简单，只要在电气设备电源线和信号线的入口处插入 EMI 滤波器，就可以把传导性质的电磁干扰信号给予有效抑制（包括设备内部产生的电磁干扰和外界电网传进来的电磁干扰）。

而最简单的滤波办法就是在电磁干扰信号的引线上套上一些管形或环形的铁氧体磁芯（通常把它称为抗干扰磁芯），利用穿越铁氧体材料的导线所体现出来的电感，以及在高频下铁氧体磁芯所产生的涡流损耗，可以简便而有效地消除存在于引线上的高频电磁噪声。

1 铁氧体抗干扰磁芯的工作原理

铁氧体抗干扰磁芯的主要成分是铁、镁和镍等，它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似，外表为灰黑色。铁氧体抗干扰磁芯有很高的磁导率，同时它的高频损耗又非常大。

铁氧体抗干扰磁芯的等效电路可以用电感 L 和电阻 R（后者是体现涡流损耗的损耗电阻）的串联来表示（图 1），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。
<img alt="铁氧体抗干扰磁芯的等效电路" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="e7f55521-8f50-4684-a963-e8746d004413" src="/sites/default/files/inline-images/%E9%93%81%E6%B0%A7%E4%BD%93%E6%8A%97%E5%B9%B2%E6%89%B0%E7%A3%81%E8%8A%AF%E7%9A%84%E7%AD%89%E6%95%88%E7%94%B5%E8%B7%AF.JPG" />
在低频段，低频时的磁芯损耗很小，阻抗主要由电感的感抗构成。由于磁芯的磁导率较高，因此电感量较大，电磁干扰被反射而受到抑制，整个器件是一个低损耗、高Q 值的电感。这种电感容易造成谐振，因此在低频段，有时可能出现采用铁氧体抗干扰磁芯后使干扰增强的现象。

在高频段，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，随着频率的增高，磁芯的损耗（主要是磁芯的涡流损耗）也在增高，它反映为磁芯等效电路中的电阻成分在增高，这样，高频下的磁芯阻抗将主要由电阻构成。随着频率的升高，磁芯的总阻抗继续增高。因此，高频干扰通过铁氧体磁芯时，将被转换成热能的形式给耗散掉。

铁氧体抗干扰磁芯被广泛应用于印制电路板、电源线和数据线上。在印制板的电源线入口端加上铁氧体磁芯时，可以滤除高频干扰。当铁氧体磁芯用在信号线和电源线上抑制高频干扰和尖峰干扰时，它对吸收静电放电也具有相应的能力（因为同样也是高频干扰，只不过静电放电含有的频率成分更高）。

铁氧体抗干扰磁芯种类很多，不同磁芯的阻抗与频率关系的曲线也不相同。不同的应用场合应选择不同的磁芯。使用时可以用增加导线在磁芯的穿过次数来增加元件的感抗(与导线穿过磁芯次数的平方成正比)，不过在高频时所增加的抑制干扰能力可能不如预期的多（有时还会因为导线穿过次数的增加，增加了分布电容，产生了负面的影响），必要时可以采取多串联几个磁芯的办法。

特别值得一提的是，对磁芯来说，高频干扰的能量是通过铁氧体磁矩与晶格的耦合而转变为热能散发出去的，并不是将噪声导入地线或者阻挡回去，因此在电路中安装铁氧体抗干扰磁芯时，不需要为它设置接地点。这是铁氧体抗干扰磁芯的突出优点。

2 片式铁氧体磁珠 
片式铁氧体磁珠是目前发展很快的一种适合于表面贴装的抗干扰元件，具有廉价、易用，滤除高频干扰的效果显著等一系列优点。

片式铁氧体磁珠也是由软磁铁氧体材料组成，它在线路上所起的抗干扰作用也与上面讲到的铁氧体抗干扰磁芯是相同的。但是片式铁氧体磁珠的结构则与普通的铁氧体抗干扰磁芯完全不同。图2 为片式铁氧体磁珠的外观和内部结构。图中可见它实质上是1 个片式叠层型电感器，是由铁氧体磁性材料与导体线圈组成的叠层型独石结构。由于在高温下烧结而成，因而具有致密性好、可靠性高等优点。两端的电极由银/镍/焊锡等三层构成，可满足再流焊和波峰焊的要求。

片式铁氧体磁珠的功能主要是用来消除传输线中的高频噪声。高频噪声是叠加在信号传输电平上的高频成分。这是一些无用的电磁干扰，能够沿着线路边传导和边辐射。为了消除这些不需要的信号成分，就可以利用片式铁氧体磁珠在高频下产生的涡流损耗来扮演高频电阻角色，让频率比较低的信号顺利通过，而滤除叠加在信号传输电平上的高频成分（通常在30MHz 以上）。但实际上，片式铁氧体磁珠在滤除高频成分的同时，低频有用信号多少也要受到一些影响。

片式铁氧体磁珠常被应用于模拟和数字电路间的滤波；I/O 端口电路、射频电路和易受干扰的逻辑电路间的滤波；以及电源电路和其他需要抑制电磁干扰的电路中滤波。

使用片式铁氧体磁珠的好处： 
● 小型化和轻量化； 
● 可有效地工作在几MHz 到几百MHz 的频率范围内，在这一频率范围内所具有高阻抗可以消除传输线上的电磁干扰； 
● 可以用在高频放大电路中，用来消除寄生振荡； 
● 它特有的闭合磁路结构，可以有效地消除信号间的串扰； 
● 此外，很低的直流电阻，不会对有用信号产生过大的衰减。

使用片式铁氧体磁珠时，应当注意以下几点： 
● 需要抑制的噪声信号在什么频率范围内？ 
● 噪声信号需要有多大的衰减？ 
● 噪声源的内阻是多少？ 
● 负载（被保护电路）的输入阻抗又是多少？ 
● 在印刷板上是不是有合适的空间可以摆放片式铁氧体磁珠？

对以上各条，产品设计人员应当事先有所估计，然后通过查阅片式铁氧体磁珠的特性手册可以找到适用的元件（注意手册上给的往往是100MHz 时的特性阻抗，但是不同型号的片式铁氧体磁珠它们的阻抗-频率特性曲线是各不相同的，反映在达到最大阻抗的频率是各不相同的，最大阻抗的值是各不相同的，阻抗-频率特性的频带宽度也是各不相同的。此外，不同型号的片式铁氧体磁珠它们的额定通过电流，以及直流电阻也是各不相同的。所以建议产品设计人员除了查阅手册上的一般参数外，还应当参阅相应型号片式铁氧体磁珠的阻抗-频率特性）。

3 片式铁氧体磁珠的分类 
3.1 普通系列 
这是应用最多的片式铁氧体磁珠，可以在比较宽的频率范围内都有很好的抑制EMI性能。用于电脑及周边设备、VCR、VCD、DVD、办公设备等各类电子设备的数字信号的波形及接口部位的噪声控制。

选用时要注意，不同的片式铁氧体磁珠，其阻抗|Z| 随频率的上升趋势是不相同的。选择原则是在有用的信号频率范围内|Z| 要尽可能地低，不致造成信号的衰减和畸变；而在需要抑制的电磁骚扰高频范围内，|Z| 要尽可能高,将高频噪声得以有效抑制。同时还要考虑其直流电阻和额定电流。

3.2 大电流系列 
通常不应该在超过手册规定的电流范围来使用片式铁氧体磁珠。如果出现超过片式铁氧体磁珠的额定电流的情况，将会出现偏置电流过大，使铁氧体接近饱和，导磁率下降，以致抑制高频噪声的效果明显减弱。

然而在某些场合，必须要求片式铁氧体磁珠能够承受较大的电流。例如，安装在直流电源输出端口的片式铁氧体磁珠，必须在通过大的直流电流的同时能够有效地抑制直流电源中产生的高次谐波分量。即片式铁氧体磁珠必须在大的偏置磁场下对高频信号仍然保持较高的阻抗值。这在现代数字电子产品的电源电路、USB 电源线、以及DVD 等电子产品中的激光束驱动电路都会遇到这样的问题。

为此，生产厂家专门开发了大电流的片式铁氧体磁珠，其额定电流几乎提高了1 个数量级。而且在较宽的频率范围内有高阻抗及EMI 抑制效果。应用的例子有数字视听设备、车载电子设备、通讯设备和自动化办公设备。

3.3 高频系列 
当前，数字电路高速化的发展趋势非常强劲，时钟频率越来越高。这样，一方面将电磁干扰的频率范围向高频段扩展，直至2GHz～3GHz；另一方面，由于高速数字信号的脉冲波形更加陡峭，以致基波频率提高，为了使这样的信号通过片式铁氧体磁珠后波形不发生畸变，就要求它对3 次谐波乃至5 次谐波不产生大的损耗。这就意味着装入高速数字电路的片式铁氧体磁珠在几百MHz（例如400MHz）以下的频段内保持低阻抗|Z| ，以便不引起信号波形的畸变；而在几百MHz 至2GHz～3GHz 的高频段内具有高阻抗|Z|，能够有效地抑制高频电磁干扰。

为了满足上述要求，生产厂家正在努力开发出一些GHz 高频型片式铁氧体磁珠，以便应用在超高速电路的典型产品（如移动通讯、计算机及其周边设备）中。

3.4 定频系列 
在某些电子产品中，有时会在某一固定的频率下出现强烈的干扰信号。出现这种现象的原因很多，例如高次谐波、自激振荡或外界干扰等。由于这样的干扰信号出现在固定的频率下，幅度很大，用普通的EMI 对策元件很难抑制，针对这种情况，生产厂家开发了一种称之为定频系列的片式铁氧体磁珠产品，它的|Z| ～f 曲线在某一频率下，阻抗|Z| 呈现尖锐的峰值。显然，如果定频系列片式铁氧体磁珠的阻抗|Z| 所呈现尖锐峰值的频率与干扰信号的频率重合，那么在特定的频率区域内可获得较高的衰减效果，而对有用信号不产生影响。但是，在不同电子产品中出现的干扰信号的频率是不相同的，因此，最好根据产品的具体情况（干扰信号的频率、频带、幅度等）向片式铁氧体磁珠生产厂家专项订购，才能达到满意的效果。定频系列的片式铁氧体磁珠可用在计算机及外围总线电子设备、通信设备、数字视听设备和摄录一体机里。

图3 是日本村田制作所生产的BLM15BA 定频系列片式铁氧体磁珠的阻抗—频率特性。

3.5 磁珠排（磁珠阵列） 
将几个（一般是2 个、4 个、6 个、8 个）铁氧体磁珠并列封装在一起，构成1 个集成型片式EMI 对策元件，称之为片式铁氧体磁珠排或磁珠阵列。磁珠排中的每1 线的性能与单个磁珠相同。磁珠排适合于多条回路的抗电磁干扰和高密度电路设计，回路之间无串扰，又有优良的抗弯强度、端头强度和可焊性。在电子产品中的某些有排线的部位,如I/O 排线,使用这种阵列式元件非常方便，既能节省印刷电路板的占用面积，又能提高贴装速度。

应该说，只要需要，前面提到的几类片式铁氧体磁珠均可做成磁珠排。磁珠排的应用常见于计算机及外围总线电子设备、通信设备、数字视听设备和摄录一体机中。

图4 是日本村田制作所生产的BLA22AA/ BLA22AB 系列磁珠排的引线、出脚和外形尺寸图。

4 片式铁氧体磁珠应用举例 
4.1 片式铁氧体磁珠的阻抗—频率特性 
这里举日本村田制作所的片式铁氧体磁珠为例。村田的片式铁氧体磁珠拥有多种尺寸（从0.4×0.2mm 到4.5×1.6mm 有8 种尺寸），多种不同的产品系列（包括一般用途、电源线路用、高速线路用、数字接口用、GHz 频带电路用等），以及多档规格的阻抗和多档不同的通过电流值。

以BLM 系列为例，这是内部含有单个片式铁氧体磁珠的产品系列。该系列又包括R系列（数字接口用），A 系列（一般电路用），B 系列（高速信号线用）， P 系列（大电流用）和H/E/G（GHz 频带用）等若干子系列：

BLM R 系列在低频范围内的阻抗显著增加，因此该系列对低频范围的数字信号波形影响小，并且会抑制振铃信号。

BLM A 系列在低频范围内可以产生较高阻抗，因此该系列可以在较宽的范围内（30MHz～几百MHz）起到有效的噪声抑制。

BLM B 系列具有尖锐的阻抗特性，因而可大大降低信号波形的衰减。该系列可提供多种阻抗，以匹配信号频率。

BLM P/S 系列的直流电阻低，可用于大电流电路中，最大可匹配6A（BLM41P）的直流电源线。

BLM H/E/G 系列通过结构改进，可大大降低杂散电容和提高有效频率范围（达GHz）。

图5 是BLM 系列片式铁氧体磁珠中不同子系列产品的阻抗—频率特性比较。

4.2 片式铁氧体磁珠的使用 
下面是几例在信号线抑制噪声的例子。

● 在信号线上应用片式铁氧体磁珠的实例⑴ 
在总线（尤其是数据总线和地址总线）上，当有多条线路同时切换时将会在瞬间产生很大的电流变化，这一变化的电流将会流经电源线和地线，并在电源线和地线里产生压降的变化，进而通过电源线和地线的压降的变化，影响设备其他部分的稳定工作。针对这一情况，有必要通过对信号线中的瞬变电流的变化进行抑制，来抑制流入电源线和地线的电流变化。采用铁氧体磁珠可以达到这种抑制效果。如果执行的是高速操作，噪声水平较高时，一般应选用具有内置电阻作用的片式铁氧体磁珠。图6 是一个可以采用的实例。

图中对于高阻抗的线路（150～3kΩ）选用损耗电阻偏高的片式铁氧体磁珠。对于低阻抗的线路（50～150Ω）则选用的损耗电阻偏低的片式铁氧体磁珠。

● 在信号线上应用片式滤波器例⑵ 
经长线传输的信号电缆，它的电磁噪声应通常同时采用片式三端电容和片式铁氧体磁珠来进行抑制。图7 就是其中的一个例子。

图中，片式三端电容器的电容量大小要视传输信号的速率来定，速率低的可以用电容量稍大一些的三端电容，例如1000pF；速率高的要用电容量小一些的三端电容，例如100pF。另外，片式三端电容器需要稳定可靠地接地。

● 片式铁氧体磁珠的振荡电路干扰抑制例 
振荡电路是经常出问题的一类噪声源。由于大电流的流动，使这类电路产生的噪声非常大。

振荡电路一般是采用片式铁氧体磁珠和电感型的滤波器来抑制电流以减小噪声。必要时也可同时采用电容型滤波器。有时可以将一个电感连接在振荡器的接地端或振荡电路和电路板的地之间，见图8。

● 片式铁氧体磁珠的使用效果例⑴ 
见图9。为传输线的辐射情况测试，图中可见，采用不同抑制措施（无任何措施，传输线始端串47Ω电阻和串片式铁氧体磁珠），抑制效果是不同的。

● 片式铁氧体磁珠的使用效果例⑵ 
见图10。仍为传输线的辐射情况测试，图中可见，采用不同抑制措施（无任何措施，传输线始端串不同的片式铁氧体磁珠），抑制效果是不同的。

文章来源：百度文库