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丁国勇:EMC磁珠特性深度解析

刚才偶然看了本刊的两篇有关磁珠的专家博文,这两篇博文都是讲磁珠的。其中一篇是讲磁珠与电感的区别,另一篇讲磁珠其实就是一电阻特性,其实这样的说法都是不准确的。

 

磁珠(Ferrite bead)的等效电路是一个DCR电阻串联一个电感并联一个电容和一个电阻。DCR是一个恒定值,但后面三个元件都是频率的函数,也就是说它们的感抗,容抗和阻抗会随着频率的变化而变化,当然它们阻值,感值和容值都非常小。

 

ferrite bead.jpg

 

从等效电路中可以看到,当频率低于fL(LC谐振频率)时,磁珠呈现电感特性;当频率等于fL时,磁珠是一个纯电阻,此时磁珠的阻抗(impedance)最大;当频率高于谐振频率点fL时,磁珠则呈现电容特性。

 

EMI选用磁珠的原则就是磁珠的阻抗在EMI噪声频率处最大。比如如果EMI噪声的最大值在200MHz,那你选择的时候就要看磁珠的特性曲线,其阻抗的最大值应该在200MHz左右。

 

下图是一个磁珠的实际的特性曲线图。大家可以看到这个磁珠的峰值点出现在1GHz左右。在峰点时,阻抗(Z)曲线的值与电阻(R)的相等。也就是说这个磁珠在1GHz时,是个纯电阻,而且阻抗值最大。

 

impedance.jpg

Z: impedance   R: R( f)   X1: L\\C

 

前面简单介绍了EMI磁珠的基本特性曲线。从磁珠的阻抗曲线来看,其实它的特性就是可以用来做高频信号滤波器。

 

需要注意的是,通常大家看到的厂家提供的磁珠阻抗曲线,都是在无偏置电流情况下测试得到的曲线。

 

但大部分磁珠通常被放在电源线上用来滤除电源的EMI噪声。而在有偏置电流的情况下,磁珠的特性会发生一些变化。下面是某个0805尺寸 额定电流500mA的磁珠在不同的偏置电流下的阻抗曲线。大家可以看到,随着电流的增加,磁珠的峰值阻抗会变小,同时阻抗峰值点的频率也会变高。

 

ferrite bead z vs current.jpg

在进一步阐述磁珠的特性之前,让我们先来看一下磁珠的主要特性指标的定义:

 

Z (阻抗,impedance ohm) :磁珠等下电路中所有元件的阻抗之和,它是频率的函数。通常大家都用磁珠在100MHz时的阻抗值作为磁珠阻抗值。

 

DCR (ohm): 磁珠导体的的直流电阻。

 

额定电流:当磁珠安装于印刷线路板并加入恒定电流,自身温升由室温上升40C时的电流值。

 

那么EMI磁珠有成千上万种,阻抗曲线也各不相同,我们应该如根据我们的实际应用选择合适的磁珠呢?

 

让我们首先来看一下阻抗值同为600ohm@100MHz但尺寸大小不同的磁珠在不同偏置电流电流和工作频率下的特性。

 

 

 

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 

 

 

上面是四个不同大小的磁珠分别工作在0A,100mA偏置电流及在100MHz,500MHz和1GHz工作频率下的阻抗值。

 

从上表的测试数据中可以看出,1206尺寸的磁珠在低频100MHz工作时,其阻抗值仅从0A下的600ohm减小到100mA偏置电流下的550ohm,而0402尺寸的磁珠阻抗值却从0A下的600ohm大幅减小为175ohm。

 

由此看来,在低频大偏置电流应用的情况下,应该选择大尺寸的磁珠,其阻抗特性会更好一些。

 

让我们来看一下磁珠在高频工作时的情形。

1206尺寸的磁珠其1GHz下的阻抗从100MHz下的600ohm大幅减小为105ohm,而0402尺寸的磁珠其1GHz下的阻抗则只由100MHz下的600ohm小幅减小为399ohm。

 

这也就是说,在低频大偏置电流的情况下,我们应该选择较大尺寸的磁珠,而在高频应用中,我们应该尽量选择小尺寸的磁珠。

 

至于为什么大小磁珠会表现为如此特性,希望看了前面磁珠特性的读者会自己找到答案

 

让我们再来看一下下面两个不同曲线特征的磁珠A和磁珠B应用于信号线时的情况。

picture1.gif

磁珠A和磁珠B的阻抗峰值都在100MHz和200MHz之间,但磁珠A阻抗频率曲线比较平坦,磁珠B则比较陡峭。 

我们将两个磁珠分别放在如下的20MHz的信号线上,看看对信号输出会产生什么样的影响。

                                                                                                                      波形测试点

picture2.gif

下面是用示波器分别量测磁珠输出端的波形图

picture3.jpg

从输出波形来看,磁珠B的输出波形失真要明显小于磁珠A。

原因是磁珠B的阻抗频率波形比较陡峭,其阻抗在200MHz时较高,只对200MHz附近的信号的衰减较大,但对频谱很宽的方波波形影响较小。而磁珠A的阻抗频率特性比较平坦,其对信号的衰减频谱也比较宽,因此对方波的波形影响也较大。

下面是上述三种情况对应的EMI测试结果。结果是磁珠A和磁珠B都会对EMI噪声产生很大的衰减。磁珠A在整个EMI频谱范围内的衰减要稍好于磁珠B。

picture4.gif

因此,在具体选用磁珠时,阻抗频率特性平坦型的磁珠A比较适合应用于电源线,而频率特性比较陡峭的磁珠B则较适合应用于信号线。磁珠B在应用于信号线时,可以在尽量保持信号完整性的情况下,尽可能只对EMI频率附近的噪声产生最大的衰减。

 

附1:本文作者丁国勇简介:

 从事新产品研发20余年。从1999年开始在HP/Agilent/Philips 医疗系统从事医疗设备产品研发,主要专注于高精度数据采集,电源及EMC及系统安全设计工作。2004年入职戴尔中国研发中心专业从事电脑产品电磁兼容设计。目前在EMC产品及设计领先公司莱尔德科技工作,在电磁兼容产品设计及培训方面有丰富的经验。

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

 

附2:EMC EMI与EMS的异同

 1、EMC 包括EMI(interference)和EMS(susceptibility),也就是电磁干扰和电磁抗干扰。
 
 2、EMI,电磁干扰度,描述电子、电气产品在正常工作状态下对外界的干扰;
 
  EMI又包括传导干扰CE(conduction emission)和辐射干扰RE(radiation emission)以及谐波harmonic。
 
  3、EMS,电磁抗干扰度,描述一电子或电气产品是否会受其周围环境或同一电气环境内其它电子或电气产品的干扰而影响其自身的正常工作。
 
  EMS又包括静电抗干扰ESD,射频抗扰度RS,电快速瞬变脉冲群抗扰度EFT,浪涌抗扰度Surge,电压暂降抗扰度Voltage DIP and Interrupt,等等相关项目。

 

 

 

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