元器件基础学习笔记——磁珠_磁珠的结构

一、磁珠的作用及构造

1.1 磁珠的作用

        磁珠是一种用于抑制高频噪声的被动电子组件，通常由铁氧体材料制成，这种材料具有高电阻率和高磁导率，使其能够在高频下有效地将干扰信号以热能的形式消耗掉。在电路设计中，磁珠被广泛用于信号线和电源线上，用来解决辐射和干扰问题。

1.2 磁珠的结构

        磁珠有多种封装方式，常见的包括贴片式、夹式和环形等。

1.2.1 贴片式磁珠

        贴片式磁珠是最常见的一种封装形式，它们通常用于电路板上，可以直接焊接在线路板上，适合用于电源电路、数字电路和信号电缆等场合。这种封装方式的磁珠便于自动化生产，且占用空间小，有助于实现电路的迷你化设计。

        纵绕线结构磁珠结构图如下（村田）：

        一般来说，电感器的阻抗会随着频率的上升而逐步增大。然而，如图5所示，纵绕线结构的磁珠内部在绕线始端（入口）和终端（出口）附近会存在相互较为接近的部位。由于这个部分会发生静电耦合（存在一个微型电容的状态），高频电流通过这里时会出现不容易受电感器阻抗影响的情况。由于频率越高，静电耦合部分越容易通过，因此频率越高所显示的阻抗也就越低。

        横绕线结构磁珠增大了线圈绕线始端与终端之间的距离，阻抗开始减少的起始频率就得到了大幅度提高，结构图如下（村田）：

1.2.2 夹式磁珠

        夹式磁珠的结构通常由铁氧体材料构成，具有内外两层结构，内层为高导磁率的铁氧体核心，外层为保护性的外壳。这种结构设计有助于提高磁珠的耐用性和稳定性。如下图所示：

        一些高性能的夹式磁珠采用多层结构设计，这种设计能够进一步增加磁珠的阻抗，提高其对高频干扰的抑制能力。多层结构还有助于减小磁珠的物理尺寸，使其更易于集成在紧凑的电子设计中。

        夹式磁珠的设计允许其轻松地夹在电缆或导线上，而无需进行焊接或其他复杂的安装过程。这种易于安装的特性使得夹式磁珠非常适合在需要快速部署或频繁更换的应用场景中使，包括电源线的滤波、信号线的噪声抑制、数据线路的干扰消除等。这种灵活性使得夹式磁珠成为电子设计师在解决电磁兼容性问题时的首选原件。

1.2.3 环形磁珠

        环形磁环，磁环，是一种由导磁材料制成的环形元件。如下图所示：

        由于其环形结构，环形磁珠能够提供良好的磁屏蔽效果，减少外部磁场对电子元件的干扰。这种屏蔽效果对于敏感的电子设备尤为重要。

        环形磁珠的设计使得其磁通密度集中在环的中心，这种集中的磁通密度有助于提高磁珠的性能，使其在较小的空间内实现高效的磁屏蔽。

二、磁珠的参数

2.1 阻抗

        磁珠的阻抗特性是其最重要的电气性能之一，这种特性使其能够在不同频率下对信号进行选择性的抑制。磁珠的阻抗是其在特定频率下（通常是100MHz）测得的阻抗值，如600Ω@100MHz表示在100MHz的频率下，磁珠的阻抗为600Ω。阻抗越大，抑制噪声的效果越好，因为高阻抗有助于将更多能量以热量形式消耗掉。

        磁珠简化模型

        铁氧体磁珠能够建模为一个由电阻、电感和电容组成的简化电路，如下图所示：

        RDC：直流电阻
        CPAR：寄生电容
        LBEAD：磁珠电感
        RAC：与磁珠有关的交流电阻（交流磁芯损耗）

        阻抗-频率曲线

        磁珠的阻抗特性曲线通常表现为在低频时阻抗随频率增加而增加，到了自谐振频率达到最大值后，随着频率的进一步增加，阻抗迅速下降。如下图所示：

        Z：阻抗
        R：电阻
        X：磁珠的电抗

        铁氧体磁珠可依据三个响应区域分类：感性、阻性和容性：
        1）磁珠在低频时主要表现出电感特性，在低频范围内阻抗较小，对电路的影响也较小；
        2）随着频率的增加，磁珠的电阻组件逐渐增大，当达到高频时，磁珠转变为阻性，从而可以有效地吸收高频噪声并转换为热能消耗掉；
        3）磁珠在很高频率下，由于寄生电容的影响，会表现出一定的容性。这是因为在高频条件下，磁珠内部的寄生电容开始起作用，高频信号就直接流过磁珠，表现出阻抗下降。

2.2 直流电阻

        磁珠的直流电阻是指当直流电流通过磁珠时，磁珠所呈现的电阻值。

        在低频或直流情况下，理想磁珠应该具有较小的阻抗，以保证电路的正常工作。直流电阻便是描述磁珠在直流电流通过时所表现的阻抗大小，它决定了磁珠对直流信号或低频信号的影响程度。

        从电源线滤波的角度看，磁珠的直流电阻越小，对电源电压的压降影响越小。例如，如果一个磁珠的直流电阻为0.2欧姆，并且通过该磁珠的直流电流为1安培，那么由于磁珠而产生的压降仅为0.2伏特，这在很多电路中是可以接受的。反之，如果直流电阻很大，那么在电源线路中可能会引起明显的电压降，影响电路的正常工作。

2.3 额定电流

        磁珠的额定电流通常由制造商指定，是指在规定的工作条件下，磁珠能够安全承载的最大电流。在这个电流值下，磁珠能够正常工作，不会因为过热或电气性能下降而影响电路的正常工作。

2.4 直流偏置特性曲线

        磁珠的直流偏置特性是指在直流电流作用下，磁珠的阻抗特性会发生变化，从而影响其对高频噪声的抑制能力。

        当直流偏置电流增加时，磁珠的等效电感会显著降低，这会导致其阻抗-频率曲线发生变化，从而降低磁珠的滤波效果。因此，确保磁珠在额定电流范围内工作，对于维持其预期的滤波性能至关重要。

        但是，铁氧体磁珠的磁饱和只发生在大电流通过时，如果电流下降，性能会复原，因此，在只是瞬间增加电流的电路中也可能不会出现问题。

三、磁珠选型的注意事项

3.1 磁珠选型

3.1.1 应用场景

        磁珠在电源线和信号线上的应用有区别，需要注意的点也不尽相同。

        电源线
        在电源线上，磁珠主要用于滤除电源EMI噪声，以提供更干净的电源供应。
        电源线磁珠的选择需关注工作频率应覆盖电源产生的辐射EMI噪声频率范围，通常在100MHz-300MHz之间。额定电流需满足电源工作时的最大电流要求，以避免磁珠过热。阻抗峰值应高于预期噪声频率，以实现有效衰减。同时，建议选择DCR较小的磁珠以提高电源效率

        信号线
        在信号线上，磁珠的作用是抑制信号线上的高频干扰和尖峰干扰，同时保持信号完整性。
        信号线磁珠的选择需考虑阻抗峰值频率应至少高于信号的有效带宽，以避免影响信号完整性。对于有功率输出的信号（如音频），需考虑磁珠的额定电流。为了阻抗匹配，高速信号用磁珠在100MHz左右的阻抗应接近信号线的特性阻抗。

3.1.2 噪声频率阻抗

        要明确需要抑制的噪声的中心频率，并选取在该频率下具有较高阻抗的磁珠。

3.1.3 直流电阻电流

        直流电阻
        直流电阻影响信号的衰减，选型时应确保直流电阻较低，以减少对有用信号的影响。

        额定电流
        虽然信号线通常不需要承受较大电流，但仍应确保磁珠的额定电流符合电路最大工作电流要求，避免磁珠过热或损坏。

3.1.4 环境温度

        对磁性的影响
        当环境温度升高时，磁珠的稳定性会受到影响，高温可能导致磁珠表面活性削弱，降低其对目标分子的识别和结合能力。同时，磁珠在达到居里温度（一般为110℃）后会失去磁性，磁导率也会发生永久性降低，从而影响其滤波效果。

        对阻抗的影响

        随着温度的变化，磁珠的电阻值和电感值也会随之变化。这种变化主要体现在高频滤波特性上，高温可能导致磁珠在高频范围内的阻抗降低，从而减弱其对高频噪声的抑制能力。
        环境温度的升高还会增加磁珠内部的电阻，即直流电阻（DCR）。这会导致通过磁珠的有用信号衰减加剧，从而影响整体电路的性能。

        对额定电流的影响
        高温环境下，磁珠的额定电流也会受到影响。过高的温度可能导致磁珠无法承受原有的额定电流，这需要在设计时进行降额使用，以确保电路的安全性和可靠性。

3.5 物理尺寸布局

        封装大小
        磁珠的尺寸应适合电路板的设计空间，避免因尺寸不匹配而影响布局。

        布局位置
        合理安排磁珠在信号线上的位置，以达到最佳的滤波效果。在电源线上，磁珠应该放置在靠近干扰源的地方，即电源输入端；而在信号线上，磁珠应该放在信号线的输出端。

3.2 磁珠应用时的注意事项

        如果在数字电路中使用铁氧体磁珠，则可能会发生波形中出现过冲和下冲的情况。

        因为铁氧体磁珠的电感和电路其他部分的电容（IC的输入电容等）会引发谐振，所以这个现象很容易发生在阻抗曲线陡峭的铁氧体磁珠上。

        为了改善这种情况，可以采取与铁氧体磁珠串联放置一个阻尼电阻的方式。由于通过加入阻尼电阻，可以经由电阻吸收谐振能量，因此谐振会变小，从而降低过冲和下冲。

        但是，由于使用阻尼电阻会引发该部分电压下降，所以需要注意信号峰值变低是否会发生问题。铁氧体磁珠的特质是阻抗曲线越陡峭，内部消耗越小，谐振越容易发生，而阻抗曲线越平缓，谐振越不容易发生，所以不要使用阻抗曲线过于陡峭的铁氧体磁珠也可以防止过冲及下冲。