丁國勇：EMC磁珠特性深度解析

剛才偶然看了本刊的兩篇有關(guān)磁珠的專家博文，這兩篇博文都是講磁珠的。其中一篇是講磁珠與電感的區(qū)別，另一篇講磁珠其實(shí)就是一電阻特性，其實(shí)這樣的說法都是不準(zhǔn)確的。

 

磁珠（Ferrite bead）的等效電路是一個(gè)DCR電阻串聯(lián)一個(gè)電感并聯(lián)一個(gè)電容和一個(gè)電阻。DCR是一個(gè)恒定值，但后面三個(gè)元件都是頻率的函數(shù)，也就是說它們的感抗，容抗和阻抗會(huì)隨著頻率的變化而變化，當(dāng)然它們阻值，感值和容值都非常小。

 

 

從等效電路中可以看到，當(dāng)頻率低于fL（LC諧振頻率）時(shí)，磁珠呈現(xiàn)電感特性；當(dāng)頻率等于fL時(shí)，磁珠是一個(gè)純電阻，此時(shí)磁珠的阻抗（impedance）最大；當(dāng)頻率高于諧振頻率點(diǎn)fL時(shí)，磁珠則呈現(xiàn)電容特性。

 

EMI選用磁珠的原則就是磁珠的阻抗在EMI噪聲頻率處最大。比如如果EMI噪聲的最大值在200MHz,那你選擇的時(shí)候就要看磁珠的特性曲線，其阻抗的最大值應(yīng)該在200MHz左右。

 

下圖是一個(gè)磁珠的實(shí)際的特性曲線圖。大家可以看到這個(gè)磁珠的峰值點(diǎn)出現(xiàn)在1GHz左右。在峰點(diǎn)時(shí)，阻抗（Z）曲線的值與電阻（R）的相等。也就是說這個(gè)磁珠在1GHz時(shí)，是個(gè)純電阻，而且阻抗值最大。

 

Z: impedance   R: R( f)   X1: L\\C

 

前面簡單介紹了EMI磁珠的基本特性曲線。從磁珠的阻抗曲線來看，其實(shí)它的特性就是可以用來做高頻信號濾波器。

 

需要注意的是，通常大家看到的廠家提供的磁珠阻抗曲線，都是在無偏置電流情況下測試得到的曲線。

 

但大部分磁珠通常被放在電源線上用來濾除電源的EMI噪聲。而在有偏置電流的情況下，磁珠的特性會(huì)發(fā)生一些變化。下面是某個(gè)0805尺寸 額定電流500mA的磁珠在不同的偏置電流下的阻抗曲線。大家可以看到，隨著電流的增加，磁珠的峰值阻抗會(huì)變小，同時(shí)阻抗峰值點(diǎn)的頻率也會(huì)變高。

 

在進(jìn)一步闡述磁珠的特性之前，讓我們先來看一下磁珠的主要特性指標(biāo)的定義：

 

Z (阻抗，impedance ohm) :磁珠等下電路中所有元件的阻抗之和,它是頻率的函數(shù)。通常大家都用磁珠在100MHz時(shí)的阻抗值作為磁珠阻抗值。

 

DCR (ohm): 磁珠導(dǎo)體的的直流電阻。

 

額定電流：當(dāng)磁珠安裝于印刷線路板并加入恒定電流，自身溫升由室溫上升40C時(shí)的電流值。

 

那么EMI磁珠有成千上萬種，阻抗曲線也各不相同，我們應(yīng)該如根據(jù)我們的實(shí)際應(yīng)用選擇合適的磁珠呢？

 

讓我們首先來看一下阻抗值同為600ohm@100MHz但尺寸大小不同的磁珠在不同偏置電流電流和工作頻率下的特性。

 

 

 

Part Number / Size (All 600 Ohm chip beads)	Z  (Ohms)		Z  (Ohms)		Z  (Ohms)
	@  100 MHz		@  500 MHz		@  1 GHz
	Zero Bias	100 mA	Zero Bias	100 mA	Zero Bias	100 mA
1206C601R              1206 size	600	550	220	220	105	120
0805E601R              0805 size	600	380	304	250	151	120
0603C601R              0603 size	600	300	330	420	171	200
0402A601R              0402 size	600	175	644	600	399	500

 

 

上面是四個(gè)不同大小的磁珠分別工作在0A，100mA偏置電流及在100MHz,500MHz和1GHz工作頻率下的阻抗值。

 

從上表的測試數(shù)據(jù)中可以看出，1206尺寸的磁珠在低頻100MHz工作時(shí)，其阻抗值僅從0A下的600ohm減小到100mA偏置電流下的550ohm,而0402尺寸的磁珠阻抗值卻從0A下的600ohm大幅減小為175ohm。

 

由此看來，在低頻大偏置電流應(yīng)用的情況下，應(yīng)該選擇大尺寸的磁珠，其阻抗特性會(huì)更好一些。

 

讓我們來看一下磁珠在高頻工作時(shí)的情形。

1206尺寸的磁珠其1GHz下的阻抗從100MHz下的600ohm大幅減小為105ohm,而0402尺寸的磁珠其1GHz下的阻抗則只由100MHz下的600ohm小幅減小為399ohm。

 

這也就是說，在低頻大偏置電流的情況下，我們應(yīng)該選擇較大尺寸的磁珠，而在高頻應(yīng)用中，我們應(yīng)該盡量選擇小尺寸的磁珠。

 

至于為什么大小磁珠會(huì)表現(xiàn)為如此特性，希望看了前面磁珠特性的讀者會(huì)自己找到答案

 

讓我們再來看一下下面兩個(gè)不同曲線特征的磁珠A和磁珠B應(yīng)用于信號線時(shí)的情況。

磁珠A和磁珠B的阻抗峰值都在100MHz和200MHz之間，但磁珠A阻抗頻率曲線比較平坦，磁珠B則比較陡峭。 

我們將兩個(gè)磁珠分別放在如下的20MHz的信號線上，看看對信號輸出會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響。

                                                                                                                      波形測試點(diǎn)

下面是用示波器分別量測磁珠輸出端的波形圖

從輸出波形來看，磁珠B的輸出波形失真要明顯小于磁珠A。

原因是磁珠B的阻抗頻率波形比較陡峭，其阻抗在200MHz時(shí)較高，只對200MHz附近的信號的衰減較大，但對頻譜很寬的方波波形影響較小。而磁珠A的阻抗頻率特性比較平坦，其對信號的衰減頻譜也比較寬，因此對方波的波形影響也較大。

下面是上述三種情況對應(yīng)的EMI測試結(jié)果。結(jié)果是磁珠A和磁珠B都會(huì)對EMI噪聲產(chǎn)生很大的衰減。磁珠A在整個(gè)EMI頻譜范圍內(nèi)的衰減要稍好于磁珠B。

因此，在具體選用磁珠時(shí)，阻抗頻率特性平坦型的磁珠A比較適合應(yīng)用于電源線，而頻率特性比較陡峭的磁珠B則較適合應(yīng)用于信號線。磁珠B在應(yīng)用于信號線時(shí)，可以在盡量保持信號完整性的情況下，盡可能只對EMI頻率附近的噪聲產(chǎn)生最大的衰減。

 

附1：本文作者丁國勇簡介：

 從事新產(chǎn)品研發(fā)20余年。從1999年開始在HP/Agilent/Philips 醫(yī)療系統(tǒng)從事醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)品研發(fā)，主要專注于高精度數(shù)據(jù)采集，電源及EMC及系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)工作。2004年入職戴爾中國研發(fā)中心專業(yè)從事電腦產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計(jì)。目前在EMC產(chǎn)品及設(shè)計(jì)領(lǐng)先公司萊爾德科技工作，在電磁兼容產(chǎn)品設(shè)計(jì)及培訓(xùn)方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)。

丁國勇博客：http://group.eet-cn.com/viewBlogInfo.do?userId=8836983586

 

附2：EMC EMI與EMS的異同

　1、EMC 包括EMI(interference)和EMS(susceptibility),也就是電磁干擾和電磁抗干擾。
 
　2、EMI，電磁干擾度，描述電子、電氣產(chǎn)品在正常工作狀態(tài)下對外界的干擾；
 
　　EMI又包括傳導(dǎo)干擾CE（conduction emission）和輻射干擾RE(radiation emission)以及諧波harmonic。
 
  3、EMS，電磁抗干擾度，描述一電子或電氣產(chǎn)品是否會(huì)受其周圍環(huán)境或同一電氣環(huán)境內(nèi)其它電子或電氣產(chǎn)品的干擾而影響其自身的正常工作。
 
　　EMS又包括靜電抗干擾ESD，射頻抗擾度RS，電快速瞬變脈沖群抗擾度EFT，浪涌抗擾度Surge，電壓暫降抗擾度Voltage DIP and Interrupt，等等相關(guān)項(xiàng)目。