中心議題：

• 片式鐵氧體磁珠的工作原理
• 鐵氧體抑制元件的阻抗和插入損耗
• 鐵氧體磁珠的類別
• 鐵氧體磁珠的應(yīng)用

1. 片式鐵氧體磁珠的基本原理

磁珠，實(shí)質(zhì)上雖然是一個(gè)電感器，但在功能、作用與組成上也是有它的特點(diǎn)的。電感的基本功能是電路諧振和扼流電抗。主要應(yīng)用于電源電路、時(shí)鐘發(fā)生電路、射頻（RF）和無(wú)線通訊、無(wú)線遙控系統(tǒng)等場(chǎng)合。磁珠的主要功能是消除存在于線路中的 RF 噪聲，扮演著高頻電阻（衰減器）的角色，它允許直流信號(hào)通過(guò)，卻能濾除 30MHZ以上的高頻信號(hào)，主要應(yīng)用于模擬電路和數(shù)字電路之間的濾波，I/O（輸入/輸出）端口電路，射頻（RF）電路和易受干擾的邏輯設(shè)備之間，電源電路以及需要抑制 EMI 等場(chǎng)合。

磁珠的作用主要是在高頻率下利用電感成分反射噪聲，利用電阻成分把噪音轉(zhuǎn)換成熱量，由此起到抑制噪聲的作用。使用時(shí)，只要直接插入信號(hào)線、電源線中就以通過(guò)吸收、反射來(lái)實(shí)現(xiàn)抑制噪聲以達(dá)到抗 EMI 的目的。磁珠有很高的電阻率和磁導(dǎo)率，它等效于電阻和電感串聯(lián)，但電阻值和電感值都是頻率的函數(shù)。它比普通的電感有更好的高頻濾波特性，在高頻時(shí)呈現(xiàn)電阻性，所以能在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的優(yōu)良特性。而電感主要起著儲(chǔ)能、濾波、阻抗、扼流、諧振和變壓作用。

磁珠由氧磁體材料作成，電感則由磁心和線圈組成，磁珠把交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為熱能，電感把電流存儲(chǔ)起來(lái)，緩慢的釋放出去。

1.1 鐵氧體磁珠的工作原理
鐵氧體磁珠是由一種立方晶格結(jié)構(gòu)的亞鐵磁性材料作成的磁性元件。這種材料的分子結(jié)構(gòu)為 MO·Fe2O3，其中 MO 為金屬氧化物，通常是 MnO 或 ZnO。它的制造工藝和機(jī)械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色，常用于電磁干擾濾波器中，這種材料的特點(diǎn)是高頻損耗非常大。

用于抗 EMI 的鐵氧體材料，磁導(dǎo)率（μ）和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（Bs）是兩個(gè)最重要的磁性參數(shù)，而磁導(dǎo)率（μ）的定義是磁通密度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化率，即 μ=△B/△H。

對(duì)于一種磁性材料來(lái)說(shuō)，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)外加磁場(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)強(qiáng)度（H）的增加，磁通密度（B）增加。當(dāng)磁場(chǎng)（H）增加到一定值時(shí)，B 值趨于平穩(wěn)，即達(dá)到飽和狀態(tài)。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 μ′代表無(wú)功磁導(dǎo)率，它構(gòu)成磁性材料的電感。虛數(shù)部分 μ" 代表?yè)p耗，如圖 2 所示。
μ=μ′- jμ"

圖 2  鐵氧體的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率[page]

圖 3 是磁導(dǎo)率的頻散特性曲線，它可分為Ⅰ-Ⅴ個(gè)區(qū)域來(lái)分析?？梢姡谝欢ǖ念l率范圍內(nèi) μ'''' 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 μ'''' 有一最大值。頻率再增加時(shí)，μ'''' 迅速下降。代表材料損耗的虛數(shù)磁導(dǎo)率 μ" 在低頻時(shí)數(shù)值較小，隨著頻率增加，材料的損耗（即μ"）增加。       

圖3 磁導(dǎo)率的頻散特性曲線

1.2 鐵氧體抑制元件的阻抗和插入損耗
實(shí)際上磁珠就是用鐵氧體材料作成的抑制元件，當(dāng)它用于交流電路時(shí)就是一個(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。

圖 4  鐵氧體抑制元件的等效電路 (a) 和阻抗矢量圖 (b)

鐵氧體元件的等效阻抗 Z 是頻率的函數(shù)
Z(f)=R(f)+jωL(f)=Kωμ"(f)+jKωμ''''(f)
式中：K是一個(gè)常數(shù)，與磁芯尺寸和匝數(shù)有關(guān)，ω為角頻率。

損耗電阻 R 和感抗 jωL 都是頻率的函數(shù)，圖5 表示的是以某種磁珠的阻抗、感抗和電阻與頻率的關(guān)系。在低頻端（<10MHZ）阻抗小于 10Ω，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(guò) 100MHZ 時(shí)，磁珠的阻抗將大于 100Ω。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 磁珠的阻抗、感抗和電阻與頻率的關(guān)系[page]

鐵氧體抑制元件應(yīng)用時(shí)的等效電路如圖6 所示。圖中 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μ"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μ''''值開始下降，而μ"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。

2 片式磁珠的類別

片式磁珠由軟磁鐵氧體材料組成，具有獨(dú)石結(jié)構(gòu)。目前磁珠有以下幾類：

普通型（通用型）
這是應(yīng)用最廣泛的一類疊層型片式磁珠／電感器， 1608、2012是目前的主流規(guī)格，同時(shí)還有3216、3225等多個(gè)規(guī)格。

大電流型（耐大電流型）
普通型磁珠的額定電流只有幾百毫安，但在某些應(yīng)用場(chǎng)合要求額定電流達(dá)到幾安培；例如：為了消除計(jì)算機(jī)卡板電源部分及大電流母線部分的噪聲，要求磁珠能承受幾安培的電流。為此，選擇適當(dāng)?shù)蔫F氧體材料或者采用低燒結(jié)溫度電子陶瓷材料，并采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧?，制成了能夠承受大電流的疊層型片式磁珠，阻值比較低。

尖峰型
當(dāng)電子線路中在某頻率點(diǎn)存在著強(qiáng)烈的干擾噪聲很難消除時(shí)，可以在此電子線路中加一個(gè)諧振頻率恰巧在干擾噪聲頻點(diǎn)的尖峰型磁珠，從而將這一強(qiáng)烈的干擾噪聲完全抑制；不同電子線路、不同用戶對(duì)諧振頻率的數(shù)值要求是不相同的。

高頻型
各種電子元器件的頻率都在提高，輻射的電子干擾的頻率往往超過(guò) 1GHz；如果使用普通型磁珠，那么，三次諧波信號(hào)成分將被大量衰減，致使時(shí)鐘脈沖信號(hào)鈍化，將會(huì)引起誤操作。所以要求將磁珠的抑制 EMI 的頻率范圍提高，如對(duì) 500MHz 以下的信號(hào)頻率成分幾乎無(wú)衰減通過(guò)，而對(duì) 1GHz 以上的干擾噪聲產(chǎn)生大量衰減。

陣列型
磁珠陣列（Chip Beads Array）又稱為磁珠排（圖7），即在一個(gè) 0805 或 1206 的片式元件內(nèi)并列 2～4 個(gè)片式磁珠。這樣就大大縮小了在 PCB 上所占據(jù)的面積，有利于高密度組裝。

圖7 磁珠陣列[page]

3 鐵氧體磁珠的應(yīng)用

鐵氧體磁珠（Ferrite Bead）是目前應(yīng)用發(fā)展很快的一種抗干擾元件，廉價(jià)、易用，濾除高頻噪聲效果顯著。在應(yīng)用上，片式鐵氧體磁珠大致可分為電源線路用和信號(hào)線路用兩大類產(chǎn)品。作為用在信號(hào)線路中所要求的性能，最重要的是所有信號(hào)波形應(yīng)與抑制噪聲措施相互依存和適應(yīng)。電源線路上使用的產(chǎn)品有低直流電阻和高耐能量型。片式磁珠的外形尺寸系列已符合片式阻容元件的標(biāo)準(zhǔn)，而且性能優(yōu)良、品種規(guī)格齊全，為電路設(shè)計(jì)者提供了廣闊的空間。過(guò)去未采用電子產(chǎn)品（如彩電、錄像機(jī)、電話機(jī)等），現(xiàn)在也開始大量采用片式電感器和片式磁珠。現(xiàn)舉例如下：

3.1 開關(guān)電源尖峰抑制器
開關(guān)電源最大的缺點(diǎn)就是容易產(chǎn)生噪聲和干擾，這是長(zhǎng)期困擾開關(guān)電源的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。開關(guān)電源的噪聲主要是由開關(guān)功率管和開關(guān)整流二級(jí)管快速變化的高壓切換和脈沖短路電流所引起。因此必須采用有效元件把它們限制到最小程度。通常采用非線性飽和電感來(lái)抑制反向恢復(fù)電流尖峰。根據(jù)在開關(guān)電源續(xù)流二極管上的高磁導(dǎo)率與可飽和性的超小型電感元件—磁珠特性的一致性，開發(fā)出用來(lái)抑制開關(guān)電源開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的峰值電流的尖峰抑制器。這種尖峰抑制器的性能特點(diǎn)是：

(1) 初始和最大電感值很高，飽和后殘余電感值非線性極不明顯。串聯(lián)接入回路后，電流升高瞬間顯示出高阻抗，可以作為所謂的瞬間阻抗元件使用。
(2) 適用于防止半導(dǎo)體回路中瞬態(tài)電流峰值信號(hào)、沖擊激勵(lì)電路和由此而伴生的噪聲，還可以防止半導(dǎo)體損壞。
(3) 剩余電感極小，電路穩(wěn)定時(shí)損耗很小。
(4) 與鐵氧體制品的性能絕然不同。
(5) 只要避免磁飽和，可作為超小型、高電感的電感元件使用。
(6) 可以作為低損耗的高性能可飽和鐵芯用于控制和產(chǎn)生振蕩。

尖峰抑制器要求鐵芯材料具有較高的磁導(dǎo)率，以得到較大的電感量；高矩形比可使鐵芯飽和時(shí)，電感量應(yīng)迅速下降到零；矯頑力小、高頻損耗低，否則鐵芯散熱不好而無(wú)法正常工作。所以尖峰抑制器的用途主要表現(xiàn)在減小電流尖峰信號(hào)；降低由于電流峰值信號(hào)引起的噪聲；防止開關(guān)晶體管的損壞；減低開關(guān)晶體管的開關(guān)損耗；補(bǔ)償二極管的恢復(fù)特性； 防止高頻脈沖電流的沖擊等。

3.2 在信號(hào)電路中的應(yīng)用

圖8、圖9、圖10 分別示出了磁珠在直流供電回路、數(shù)字電話、抑制 EMI 噪聲濾波器中的應(yīng)用實(shí)例。

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可見磁珠在抗電磁干擾方面的作用十分重要，應(yīng)用廣泛。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用鐵氧體磁導(dǎo)率的頻散特性作成的片式磁珠，是一種既簡(jiǎn)便又有效的抗電磁干擾的元件與方法，并且具有眾多的突出優(yōu)點(diǎn)，所以在現(xiàn)代電子信息產(chǎn)品中獲得了廣泛應(yīng)用。