磁珠及其在開關(guān)電源中的應(yīng)用

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1、1引言　　由于電磁兼容（EMC）的迫切要求，電磁干擾(EMI)抑制元件獲得了廣泛的應(yīng)用。然而實(shí)際應(yīng)用中的電磁兼容（EMC）問題十分復(fù)雜，單單依靠理論知識是完全不夠的，它更依賴于廣大電子工程師的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。為了更好地解決電子產(chǎn)品的電磁兼容性（EMC）這一問題，還要考慮接地、電路與PCB板設(shè)計、電纜設(shè)計、屏蔽設(shè)計等問題[1][2]。本文通過介紹磁珠的基本原理和特性來說明它在開關(guān)電源電磁兼容（EMC）設(shè)計中的重要性與應(yīng)用，以期為設(shè)計者在設(shè)計新產(chǎn)品時提供必要的參考。　　2?磁珠及其工作原理　　磁珠的主要原料為鐵氧體，鐵氧體是一種立方晶格結(jié)構(gòu)的亞鐵磁性材料，鐵氧體材料為鐵鎂合金或鐵鎳合金，它的

2、制造工藝和機(jī)械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色。電磁干擾濾波器中經(jīng)常使用的一類磁芯就是鐵氧體材料，許多廠商都提供專門用于電磁干擾抑制的鐵氧體材料。這種材料的特點(diǎn)是高頻損耗非常大，具有很高的導(dǎo)磁率，它可以使電感的線圈繞組之間在高頻高阻的情況下產(chǎn)生的電容最小。鐵氧體材料通常應(yīng)用于高頻情況，因?yàn)樵诘皖l時它們主要呈現(xiàn)電感特性，使得損耗很小。在高頻情況下，它們主要呈現(xiàn)電抗特性并且隨頻率改變。實(shí)際應(yīng)用中，鐵氧體材料是作為射頻電路的高頻衰減器使用的。實(shí)際上，鐵氧體可以較好的等效于電阻以及電感的并聯(lián)，低頻下電阻被電感短路，高頻下電感阻抗變得相當(dāng)高，以至于電流全部通過電阻。鐵氧體是一個消耗裝置，高頻能量

3、在上面轉(zhuǎn)化為熱能，這是由它的電阻特性決定的。　　對于抑制電磁干擾用的鐵氧體，最重要的性能參數(shù)為磁導(dǎo)率和飽和磁通密度。磁導(dǎo)率可以表示為復(fù)數(shù)，實(shí)數(shù)部分構(gòu)成電感，虛數(shù)部分代表損耗，隨著頻率的增加而增加。因此它的等效電路為由電感L和電阻R組成的串聯(lián)電路，如圖1所示，電感L和電阻R都是頻率的函數(shù)。當(dāng)導(dǎo)線穿過這種鐵氧體磁芯時，所構(gòu)成的電感阻抗在形式上是隨著頻率的升高而增加，但是在不同頻率時其機(jī)理是完全不同的。　　(a)安裝圖???????????????　　(b)高頻等效電路??????????????　　(c)電路符號圖1鐵氧體磁珠　　在高頻段，阻抗主要由電阻成分構(gòu)成，隨著頻率的升高，磁芯的

4、磁導(dǎo)率降低，導(dǎo)致電感的電感量減小，感抗成分減小，但是，這時磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導(dǎo)致總的阻抗增加，當(dāng)高頻信號通過鐵氧體時，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能的形式消耗掉。在低頻段，阻抗主要由電感的感抗構(gòu)成，低頻時R很小，磁芯的磁導(dǎo)率較高，因此電感量較大，電感L起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制，并且這時磁芯的損耗較小，整個器件是一個低損耗、高品質(zhì)因素Q特性的電感，這種電感容易造成諧振，因此在低頻段時可能會出現(xiàn)使用鐵氧體磁珠后干擾增強(qiáng)的現(xiàn)象[3]?！　〈胖榉N類很多，制造商會提供技術(shù)指標(biāo)說明，特別是磁珠的阻抗與頻率關(guān)系的曲線。有的磁珠上有多個孔洞，用導(dǎo)線穿過可增加元件阻抗(穿過磁珠次

5、數(shù)的平方)，不過在高頻時所增加的抑制噪聲能力可能不如預(yù)期的多，可以采用多串聯(lián)幾個磁珠的辦法?！　≈档米⒁獾氖牵哳l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)入地或者阻擋回去，如旁路電容那樣。因而，在電路中安裝鐵氧體磁珠時，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)[4]?！　???磁珠和電感　　3.1?磁珠和電感的區(qū)別　　磁珠由氧磁體組成，電感由磁芯和線圈組成，磁珠把交流信號轉(zhuǎn)化為熱能，電感把交流存儲起來，緩慢的釋放出去，因此說電感是儲能元件，而磁珠是能量轉(zhuǎn)換(消耗)器件。電感多用于電源濾波回路，磁珠多用于信號回路，磁珠主要用于抑制電磁輻射干擾，

6、而電感用于這方面則側(cè)重于抑制傳導(dǎo)性干擾。兩者都可用于處理EMC、EMI問題。磁珠是用來吸收超高頻信號，例如一些RF電路、PLL、振蕩電路、含超高頻存儲器電路(DDRSDRAM，RAMBUS等)都需要在電源輸入部分加磁珠，而電感是一種蓄能元件，用在LC振蕩電路、中低頻的濾波電路等，其應(yīng)用頻率范圍很少超過50MHZ。地的連接一般用電感，電源的連接也用電感，而對信號線則常采用磁珠。??????3.2??片式磁珠與片式電感　　3.2.1?片式電感　　在電子設(shè)備的PCB板電路中會大量使用感性元件和EMI濾波器元件，這些元件包括片式電感和片式磁珠。在需要使用片式電感的場合，要求電感實(shí)現(xiàn)以下兩個

7、基本功能：電路諧振和扼流電抗。諧振電路包括諧振發(fā)生電路、振蕩電路、時鐘電路、脈沖電路、波形發(fā)生電路等。諧振電路還包括高Q帶通濾波器電路。要使電路產(chǎn)生諧振，必須有電容和電感同時存在于電路中。在電感的兩端存在寄生電容，這是由于器件兩個電極之間的鐵氧體本體相當(dāng)于電容介質(zhì)而產(chǎn)生的。在諧振電路中，電感必須具有高品質(zhì)因素Q，窄的電感偏差，穩(wěn)定的溫度系數(shù)，才能達(dá)到諧振電路窄帶，低的頻率溫度漂移的要求。高Q電路具有尖銳的諧振峰值。窄的電感偏置保證諧振頻率偏差盡量小。穩(wěn)定的溫度系數(shù)保證