磁珠電感資料

磁珠(Magneticbead)是近年來問世的一種超小型的非晶合金磁性材料，它與鐵氧體屬兩種材料。市售的磁珠外形與塑封二極管相仿，外形呈管狀，但改用磁性材料封裝，內(nèi)穿一根導(dǎo)線而制成的小電感。常見磁珠的外形尺寸有①2.5x3(mm)、①2.5x8(mm)、①3x5(mm)等多種規(guī)格。供單片開關(guān)電源使用的磁珠，電感量一般為幾至幾十叩。磁珠的直流電阻非常小，一般為0.005Q?0.01Q。通常噪聲濾波器只能吸收已發(fā)生了的噪聲，屬于被動(dòng)抑制型；磁珠的作用則不同，它能抑制開關(guān)噪聲的產(chǎn)生，因此屬于主動(dòng)抑制型，這是二者的根本區(qū)別。磁珠可廣泛用于高頻開關(guān)電源、錄像機(jī)、電子測(cè)量?jī)x器、以及各種對(duì)噪聲要求非常嚴(yán)格的電路中。片式電磁干擾對(duì)策元件的特性及其應(yīng)用(1)1引言由于電磁兼容的迫切要求，電磁干擾(EMI)對(duì)策元件獲得了廣泛的應(yīng)用，特別是近年來發(fā)展起來的品種繁多的片式EMI對(duì)策元件，更引起人們的關(guān)注。在各種現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，為了達(dá)到電磁兼容的要求，幾乎都采用了這類元件。但值得注意的是，這類元件品種多，性能各異，不像阻容元件那樣的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化所以，必須全面了解各種EMI對(duì)策元件的特性，并根據(jù)具體情況，恰當(dāng)?shù)剡x擇和正確地使用這些元件才能收到滿意的效果。本文對(duì)目前主要的幾類片式EMI對(duì)策元件的特性及其應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要的評(píng)述。2片式鐵氧體磁珠2.1片式鐵氧體磁珠是1種獲得廣泛應(yīng)用的物美價(jià)廉的EMI對(duì)策元件，在EMI對(duì)策中占有重要的位置。片式鐵氧體磁珠的基本特性片式鐵氧體磁珠的結(jié)構(gòu)和等效電路如圖1所示。實(shí)質(zhì)上它就是1個(gè)疊層型片式電感器，是由鐵氧體磁性材料與導(dǎo)體線圈組成的疊層型獨(dú)石結(jié)構(gòu)。由于是在高溫下燒結(jié)而成，因而致密性好、可靠性高。兩端的電極由銀/鎳/焊錫3層構(gòu)成，可滿足再流焊和波峰焊的要求。(b)等效電路(a)片式鐵氧體磁珠的結(jié)構(gòu)圖1片式鐵氧體磁珠的結(jié)構(gòu)與等效電路在圖1所示的等效電路中，R代表由于鐵氧體材料的損耗(主要是磁損耗)以及導(dǎo)體線圈的毆姆損耗而引起的等效電阻;C是導(dǎo)體線圈的寄生電容。等效電路的阻抗Z可以表達(dá)為Z=R+jX,其中X是電抗，Z、R、X都是頻率f的函數(shù)。圖2是片式鐵氧體磁珠的0、R、X隨頻率f變化的典型曲線。從這些曲線可以看出：0、R、X隨頻率的提高而上升，直至由寄生電容C引起的自諧振頻率X迅速下降，并由感性轉(zhuǎn)為容性。在自諧振頻率處,|Z|達(dá)到最大值。利用鐵氧體磁珠0?f曲線的特征，可以達(dá)到讓低頻信號(hào)通過而同時(shí)抑制高頻噪聲的目的。值得注意的是,高頻噪聲的能量是通過鐵氧體磁矩與晶格的耦合而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苌l(fā)出去的,并非將噪聲導(dǎo)入地或阻擋回去,如旁路電容器那樣。因而，在電路中安裝鐵氧體磁珠時(shí),不需要為它設(shè)置接地點(diǎn)。這是鐵氧體磁珠的突出優(yōu)點(diǎn)之一。圖2片式鐵氧體磁珠的阻抗頻率特性曲線片式鐵氧體磁珠的外形尺寸與公差符合EIA/EIAJ片式元件標(biāo)準(zhǔn)，有3216(1206)、2012(0805)、1608(0603)、1005(0402)和0603(0201)等幾種規(guī)格,目前的主流尺寸為1608和1005,有可能幾年之后發(fā)展到0603(0.6mmx0.3mm)。從阻抗特性及其應(yīng)用來看，片式鐵氧體磁珠可以分成幾類，應(yīng)用于不同的場(chǎng)合，本文將分別予以介紹。我國(guó)片式鐵氧體磁珠的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際一流水平,品種規(guī)格齊全,性能優(yōu)良,年生產(chǎn)能力超過40億只。著名生產(chǎn)廠家有深圳南虹電子陶瓷公司、清華同方魯穎公司等;國(guó)外的公司有AEM、TDK、TaiyoyudenMurata等。2.2片式鐵氧體磁珠的分類及應(yīng)用2.2.1通用型片式鐵氧體磁珠這是應(yīng)用最為廣泛的1類EMI對(duì)策元件,其典型的阻抗?頻率特性曲線如圖2所示。生產(chǎn)廠家一般提供100MHz時(shí)的阻抗0、直流電阻和額定電流等數(shù)據(jù)。例如，表1就是深圳南虹公司生產(chǎn)的BG1005系列通用型片式鐵氧體磁珠的數(shù)據(jù)。同時(shí)，生產(chǎn)廠家還必須提供0?f曲線。在選用時(shí)，主要依據(jù)其0?f曲線的特征。不同的片式鐵氧體磁珠，其阻抗0隨頻率的上升趨勢(shì)是不相同的。選擇原則是:在有用的信號(hào)頻率范圍內(nèi)0盡可能低，不致造成信號(hào)的衰減和畸變;而在需要抑制的電磁騷擾高頻范圍內(nèi),0盡可能高，將高頻噪聲有效抑制，同時(shí)還要考慮其直流電阻和額定電流。表1BG1005系列通用型片式鐵氧體磁珠的電氣參數(shù)型號(hào)阻抗/Q(±25%)測(cè)試頻率/MHz直流電阻/Q(max)額定電流/mA(max)BGL1005A050H51000.05500BGL1005A070H71000.05500BGL1005A110H111000.05500BGL1005A190H191000.05300BGL1005A310H311000.25300BGL1005A600H601000.4200BGL1005A800H801000.4200BGL1005A12IH1201000.5150BGL1005A18IH1801000.6150BGL1005A30IH3001000.8100BGL1005A50IH5001001.2100BGL1005A60IH6001001.51002.2.2大電流型片式鐵氧體磁珠片式鐵氧體磁珠所能承受的額定電流與其材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，如表1所示，對(duì)于通用型1005規(guī)格片式鐵氧體磁珠而言，當(dāng)其100MHz的阻抗為15Q時(shí)，額定電流可以達(dá)到500mA，當(dāng)阻抗提高到150Q時(shí)，額定電流下降到150mA;100MHz時(shí)阻抗為150Q的1005、1608、20123種規(guī)格的通用型片式鐵氧體磁珠的額定電流分別為150mA、200mA、800mA。如果超過額定電流將會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問題:一是由于偏置電流過大，使鐵氧體接近飽和,導(dǎo)磁率下降，以致抑制高頻噪聲的效果明顯減弱，如圖3所示;二是導(dǎo)致消耗電能，對(duì)于用電池驅(qū)動(dòng)的便攜式電子產(chǎn)品來說，這是不能允許的。然而在某些場(chǎng)合，必須要求片式鐵氧體磁珠能夠承受較大的電流。例如，安裝在DC電源輸出端口的片式鐵氧體磁珠，必須在通過大的DC電流的同時(shí)能夠有效地抑制DC電源中產(chǎn)生的高次諧波分量，即片式鐵氧體磁珠必須在大的偏置磁場(chǎng)下對(duì)高頻信號(hào)仍然保持較高的阻抗值。在現(xiàn)代數(shù)字電子產(chǎn)品的電源電路、USB電源線及DVD等電子產(chǎn)品的激光束驅(qū)動(dòng)電路中都會(huì)遇到這樣的問題。為此，生產(chǎn)廠家開發(fā)了大電流型片式鐵氧體磁珠,額定電流幾乎提高了1個(gè)數(shù)量級(jí)。如深圳南虹的MBW系列產(chǎn)品中的1608規(guī)格，當(dāng)其100MHz阻抗為150Q時(shí)，其額定電流高達(dá)3500mA;圖4是日本村田公司的新產(chǎn)品BLM18E通過大電流時(shí)的ZI?f曲線，與圖3比較，可以看出有明顯的差別,在大的DC電流下，它對(duì)高頻噪聲仍能保持很高的阻抗值。圖3通用型片式鐵氧體磁珠在不同電流時(shí)的阻抗特性曲線圖4大電流型片式鐵氧體磁珠在不同電流時(shí)的阻抗特性曲線圖5GHz高頻型片式鐵氧體磁珠的阻抗特性曲線（圖中符號(hào)為村田公司的型號(hào)）2.2.3低DC電阻型片式鐵氧體磁珠在某些情況下，要求片式鐵氧體磁珠的DC電阻越小越好。例如，所有電池驅(qū)動(dòng)的便攜式電子產(chǎn)品都要求減少電阻延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間;隨著高速數(shù)字電路的發(fā)展,IC電源的功率消耗增加，所以在IC電源線中插入的片式鐵氧體磁珠必須是低DC電阻型;IC及半導(dǎo)體器件的工作電壓逐步下降，這也要求片式鐵氧體磁珠的DC電阻下降;另外，片式鐵氧體磁珠的DC電阻會(huì)引起熱噪聲，在某些電路中是不允許的。為了解決上述問題，近年來生產(chǎn)廠家提高了材料的導(dǎo)電性，優(yōu)化了導(dǎo)體線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而大大降低了片式鐵氧體磁珠的DC電阻。現(xiàn)在已經(jīng)有DC電阻低于0.01Q的片式鐵氧體磁珠面市,供用戶選擇。2.2.4GHz高頻型片式鐵氧體磁珠數(shù)字電路高速化的發(fā)展趨勢(shì)非常強(qiáng)勁，時(shí)鐘頻率越來越高。這樣，一方面將電磁干擾的頻率范圍向高頻段擴(kuò)展，直至2GHz?3GHz;另一方面，由于高速數(shù)字信號(hào)的脈沖波形更加陡峭，以致基波頻率提高，為了使這樣的信號(hào)通過片式鐵氧體磁珠后波形不發(fā)生畸變，就要求它對(duì)3次諧波乃至5次諧波不產(chǎn)生大的損耗。這就意味著裝入高速數(shù)字電路的片式鐵氧體磁珠在幾百M(fèi)Hz（例如400MHz）以下的頻段內(nèi)保持低阻抗0,以致不引起信號(hào)波形的畸變;而在幾百M(fèi)Hz至2GHz?3GHz的高頻段內(nèi)具有高阻抗0，能夠有效地抑制高頻電磁干擾。為了滿足上述要求，生產(chǎn)廠家努力開發(fā)出一些GHz高頻型片式鐵氧體磁珠。清華大學(xué)材料系周濟(jì)教授帶領(lǐng)的科研組開發(fā)成功低溫?zé)Y(jié)Z型6角晶系鐵氧體材料，用這種材料做出了此類GHz高頻型片式鐵氧體磁珠,并已在山東清華同方魯穎公司試產(chǎn)。圖5是日本村田公司的新產(chǎn)品,TDK在這種產(chǎn)品方面居于世界領(lǐng)先水平。2.2.5尖峰型片式鐵氧體磁珠一些電子產(chǎn)品有時(shí)會(huì)在某一固定的頻率下出現(xiàn)強(qiáng)烈的干擾信號(hào)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因很多，例如高次諧波、自激振蕩或外界干擾等。由于這樣的干擾信號(hào)出現(xiàn)在固定的頻率下，幅度很大，用普通的EMI對(duì)策元件很難抑制。針對(duì)這種情況，生產(chǎn)廠家開發(fā)了1種稱之為尖峰型片式鐵氧體磁珠的產(chǎn)品，其0?f曲線如圖6所示。在某一頻率下，阻抗0呈現(xiàn)尖銳的峰值。顯然,如果尖峰型片式鐵氧體磁珠的阻抗0呈現(xiàn)尖銳峰值的頻率與干擾信號(hào)的頻率重合，那么就能夠?qū)⑦@個(gè)幅度很高的強(qiáng)烈干擾有效抑制。值得提出的是，不同電子產(chǎn)品出現(xiàn)這樣的干擾信號(hào)的頻率是不相同的,因此,最好根據(jù)產(chǎn)品的具體情況（干擾信號(hào)的頻率、頻帶、幅度等）向片式鐵氧體磁珠生產(chǎn)廠家專項(xiàng)訂購,才能達(dá)到滿意的效果。2.2.6片式鐵氧體磁珠陣列（磁珠排）將幾個(gè)（一般是2個(gè)、4個(gè)、6個(gè)、8個(gè)）鐵氧體磁珠并列封裝在一起，構(gòu)成1個(gè)集成型片式EMI對(duì)策元件,稱之為片式鐵氧體磁珠陣列或磁珠排，其外觀和等效電路如圖7所示。例如南虹的BMA2010型就是將4個(gè)磁珠并列圭寸裝在2.0mmx1.0mm尺寸的外殼內(nèi)，其中每1線的性能與單個(gè)磁珠相同。如果需要,上述的幾類片式鐵氧體磁珠均可做成陣列元件。在電子產(chǎn)品中的某些有排線的部位，如I/O排線，使用這種陣列式元件非常方便，既能節(jié)省PCB的占用面積,又能提高貼裝速度。圖6尖峰型片式鐵氧體磁珠的0、R、X隨頻率變化的典型曲線（a）片式鐵氧體磁珠陣列（b）等效電路圖7片式鐵氧體磁珠陣列的外觀及等效電路在USB接口的電源端采用一個(gè)磁珠，以減少主機(jī)和設(shè)備的干擾有些探頭在地線上增添鐵磁磁珠以減小振鈴。但您會(huì)為此付出增加地線阻抗的代價(jià)，而這又會(huì)降低探頭的共模抑制鐵氧體在抑制電磁干擾中的應(yīng)用用鐵氧體磁性材料抑制電磁干擾（EMI）是經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便而有效的方法，已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)等各種軍用或民用電子設(shè)備。那么什么是鐵氧體呢？如何選擇，怎樣使用鐵氧體元件呢？這篇文章將對(duì)這些問題作一簡(jiǎn)要介紹。一、什么是鐵氧體抑制元件鐵氧體是一種立方晶格結(jié)構(gòu)的亞鐵磁性材料，它的制造工藝和機(jī)械性能與陶瓷相似。但顏色為黑灰色，故又稱黑磁或磁性瓷。鐵氧體的分子結(jié)構(gòu)為M0•Fe2O3,其中MO為金屬氧化物，通常是MnO或Zn0。衡量鐵氧體磁性材料磁性能的參數(shù)有磁導(dǎo)率山飽和磁通密度Es,剩磁Er和矯頑力He等。對(duì)于抑制用鐵氧體材料，磁導(dǎo)率g和飽和磁通密度Es是最重要的磁性參數(shù)。磁導(dǎo)率定義為磁通密度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化率。E/△H對(duì)于一種磁性材料來說，磁導(dǎo)率不是一個(gè)常數(shù)，它與磁場(chǎng)的大小、頻率的高低有關(guān)。當(dāng)鐵氧體受到一個(gè)外磁場(chǎng)H作用時(shí)，例如當(dāng)電流流經(jīng)繞在鐵氧體磁環(huán)上的線圈時(shí)，鐵氧體磁環(huán)被磁化。隨著磁場(chǎng)H的增加,磁通密度E增加。當(dāng)磁場(chǎng)H場(chǎng)加到一定值時(shí)，E值趨于平穩(wěn)。這時(shí)稱作飽和。對(duì)于軟磁材料，飽和磁場(chǎng)H只有十分之幾到幾個(gè)奧斯特。隨著飽和的接近，鐵氧體的磁導(dǎo)率迅速下降并接近于空氣的導(dǎo)磁率（相對(duì)磁導(dǎo)率為1）如圖1所示。圖1鐵氧體的B-H曲線鐵氧體的磁導(dǎo)率可以表示為復(fù)數(shù)。實(shí)數(shù)部分“代表無功磁導(dǎo)率，它構(gòu)成磁性材料的電感。虛數(shù)部分g"代表損耗，如圖2所示。g=g'—jg"圖2鐵氧體的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率與頻率的關(guān)系如圖3所示。在一定的頻率范圍內(nèi)“值(在某一磁場(chǎng)下的磁導(dǎo)率)保持不變，然后隨頻率的升高磁導(dǎo)率“有一最大值。頻率再增加時(shí)，“迅速下降。代表材料損耗的虛數(shù)磁導(dǎo)率『在低頻時(shí)數(shù)值較小，隨著頻率增加，材料的損耗增加，『增加。如圖3所示，圖中tan§=『/“圖3鐵氧體磁導(dǎo)率與頻率的關(guān)系圖4鐵氧體抑制元件的等效電路(a)和阻抗矢量圖(b)二、 鐵氧體抑制元件的阻抗和插入損耗當(dāng)鐵氧體元件用在交流電路時(shí)，鐵氧體元件是一個(gè)有損耗的電感器，它的等效電路可視為由電感L和損耗電阻R組成的串聯(lián)電路，如圖4所示。鐵氧體元件的等效阻抗Z是頻率的函數(shù)Z(f)=R(f)+j?L(f)=K?g"(f)+jK?g'(f)式中：K是一個(gè)常數(shù)，與磁芯尺寸和匝數(shù)有關(guān)，o為角頻率。損耗電阻R和感抗j?L都是頻率的函數(shù)，圖5是材料850磁珠的阻抗、感抗和電阻與頻率的關(guān)系。在低頻端(<10MHz)阻抗小于10Q,隨著頻率的增加，由于電阻分量增加，使阻抗增加，電阻逐漸成為主要部分。在頻率超過100MHz時(shí)，磁珠的阻抗將大于100Q。這樣就構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，使高頻噪音信號(hào)有大的衰減，而對(duì)低頻有用信號(hào)的阻抗可以忽略，不影響電路的正常工作。這種濾波器優(yōu)于普通純電抗濾波器。后者會(huì)產(chǎn)生諧振，造成新的干擾，而鐵氧體磁珠則沒有這種現(xiàn)象。圖5鐵氧體的阻抗與頻率的關(guān)系鐵氧體抑制元件應(yīng)用時(shí)的等效電路如圖6所示。圖中Z為抑制元件的阻抗，Zs和ZL分別為源阻抗和負(fù)載阻抗，Z為鐵氧體抑制元件的阻抗。通常用插入損耗表示抑制元件對(duì)EMI信號(hào)的衰減能力。器件的插入損耗越大，表示器件對(duì)EMI噪音抑制能力越強(qiáng)。圖6鐵氧體抑制元件應(yīng)用電路插入損耗的定義為式中：P1、V1分別為抑制元件接入前，負(fù)載上的功率和電壓。P2、V2分別為抑制元件接入后，負(fù)載上的功率和電壓。插入損耗和抑制元件的阻抗有如下關(guān)系：由上式可見，在源阻抗和負(fù)載阻抗一定時(shí)抑制元件的阻抗越大，抑制效果越好。由于抑制元件的阻抗是頻率的函數(shù)，所以插入損耗也是頻率的函數(shù)。抑制元件的阻抗包括感抗和電阻部分，兩部分對(duì)插入損耗都有貢獻(xiàn)。在低頻時(shí)，鐵氧體的『的值較小，損耗電阻較小，主要是感抗起作用。在高頻端，鐵氧體的“值開始下降，而『值增大，所以損耗起主要作用。低頻時(shí)，EMI信號(hào)被反射而受到抑制，在高頻端，EMI信號(hào)被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能。三、 鐵氧體抑制元件的應(yīng)用鐵氧體抑制元件廣泛應(yīng)用于PCB，電源線和數(shù)據(jù)線上。1、鐵氧體抑制元件在PCB上的應(yīng)用EMI設(shè)計(jì)的首要方法是抑源法，即在PCB上的EMI源將EMI抑制掉。這個(gè)設(shè)計(jì)思想是將噪音限制在小的區(qū)域，避免高頻噪音耦合到其他電路，而這些電路通過連線可能產(chǎn)生更強(qiáng)的輻射。PCB上的EMI源來自周期開關(guān)的數(shù)字電路。其高頻電流在電源線和地之間產(chǎn)生一個(gè)共模電壓降，造成共模干擾。電源線或信號(hào)線會(huì)將IC開關(guān)的高頻噪聲傳導(dǎo)或輻射出去。在電源線和地之間加一個(gè)去耦電容，使高頻噪音短路，但是去耦電容常常會(huì)引起高頻諧振，造成新的干擾。在電路板的電源進(jìn)口加上鐵氧抑制磁珠會(huì)有效的將高頻噪音衰減掉。2、 鐵氧體抑制元件在電源線上的應(yīng)用電源線會(huì)把外界電網(wǎng)的干擾、開關(guān)電源的噪音傳到主機(jī)。在電源的出口和PCB電源線的入口設(shè)置鐵氧體抑制元件，既可抑制電源與PCB之間的高頻干擾的傳輸，也可抑PCB之間高頻噪音的相互干擾。值得注意的是，在電源線上應(yīng)用鐵氧體元件時(shí)有DC偏流存在。鐵氧體的阻抗和插入損耗隨著DC偏流的增加而減少。當(dāng)偏流增加到一定值時(shí)，鐵氧體抑制元件會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。在EMC設(shè)計(jì)時(shí)要考慮飽和或插入損耗降低的問題。鐵氧體的磁導(dǎo)率越低，插入損耗受DC偏流的影響越小，越不易飽和。所以用在電源線上的鐵氧體抑制元件，要選擇磁導(dǎo)率低的材料和橫截面積大的元件。當(dāng)偏流較大時(shí)，可將電源的出線（AC的火線，DC的十線）與回線（AC的中線，DC的地線）同時(shí)穿入一個(gè)磁管。這樣可避免飽和，但這種方法只抑制共模噪音。3、 鐵氧體抑制元件在信號(hào)線上的應(yīng)用鐵氧體抑制元件最常用的地主就是信號(hào)線，例如在計(jì)算機(jī)中，EMI信號(hào)會(huì)通過主機(jī)到鍵盤的電纜線傳入到主機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，而后耦到CPU，使其不能正常工作。主機(jī)的數(shù)據(jù)或噪音也可通過電纜線傳出去。鐵氧體磁珠可用在驅(qū)動(dòng)電路與鍵盤之間，將高頻噪音抑制。由于鍵盤的工作頻率在1MHz左右，數(shù)據(jù)可以幾乎無損耗地通過鐵氧體磁珠。偏平電纜也可用專用的鐵氧體抑制元件，將噪音抑制在其輻射之前。4、 鐵氧體抑制元件的選