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解析EMC磁珠的電阻特性
發(fā)布時(shí)間:2018-08-21 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】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(shuō)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。
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(shuō)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(shuō)這個(gè)磁珠在1GHz時(shí),是個(gè)純電阻,而且阻抗值最大。
EMC磁珠到底是什么特性?(2)
前面簡(jiǎn)單介紹了EMI磁珠的基本特性曲線。從磁珠的阻抗曲線來(lái)看,其實(shí)它的特性就是可以用來(lái)做高頻信號(hào)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(wú)偏置電流情況下測(cè)試得到的曲線。但大部分磁珠通常被放在電源線上用來(lái)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(lái)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(wàn)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?
EMC磁珠到底是什么特性?(3)
讓我們首先來(lái)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。
EMC磁珠到底是什么特性?(4)
讓我們?cè)賮?lái)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(hào)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(hào)線上,看看對(duì)信號(hào)輸出會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響。
波形測(cè)試點(diǎn)
下面是用示波器分別量測(cè)磁珠輸出端的波形圖
從輸出波形來(lái)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(duì)200MHz附近的信號(hào)的衰減較大,但對(duì)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(duì)信號(hào)的衰減頻譜也比較寬,因此對(duì)方波的波形影響也較大。
下面是上述三種情況對(duì)應(yīng)的EMI測(cè)試結(jié)果。結(jié)果是磁珠A和磁珠B都會(huì)對(duì)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(hào)線。磁珠B在應(yīng)用于信號(hào)線時(shí),可以在盡量保持信號(hào)完整性的情況下,盡可能只對(duì)EMI頻率附近的噪聲產(chǎn)生最大的衰減。
EMC磁珠到底是什么特性?(5)
EMC磁珠應(yīng)用于電子線路中抑制EMI,主要有兩種應(yīng)用: 1.最常見(jiàn)用于電源線。2.用于信號(hào)線像音頻,視頻線等。那應(yīng)該如何根據(jù)實(shí)際應(yīng)用從千萬(wàn)種不同特性的EMC磁珠中選擇合適的磁珠用于自己的系統(tǒng)設(shè)計(jì)呢?
向前面所述,如果要選用磁珠用于電源線,應(yīng)該做如何選擇呢?
首 先,要知道開(kāi)關(guān)電源的工作頻率。通常大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源工作于幾百KHz,少數(shù)的可以工作到幾MHz. 這個(gè)頻率基本上是在傳導(dǎo)輻射的頻率范圍。對(duì)于起始于30MHz輻射頻率來(lái)講,屬于低頻的范圍。一般來(lái)講,電源產(chǎn)生的輻射EMI噪聲,通常在小于 100MHz-300MHz范圍. 因此,選擇磁珠用選用峰值頻率小于300MHz低頻型的磁珠。
其次,就是要知道電源的工作電流。對(duì)于哪些放置于開(kāi)關(guān)或非直流信號(hào)的磁珠,通常要講交流信號(hào)轉(zhuǎn)換有效值,以此來(lái)選擇磁珠的額定電流。
對(duì)于用于電源線磁珠尺寸,像我們前面講到的,在滿足排版空間設(shè)計(jì)要求情況下,要盡量選用大尺寸的磁珠。
用于電源線的磁珠,DCR是十分關(guān)鍵的參數(shù),特別是對(duì)于電池供電的便攜式設(shè)備,像手機(jī),平板電腦等。應(yīng)盡量選用DCR小的磁珠用于電源線,以提高電源效率。
當(dāng)然,從抑制EMI的角度來(lái)講,磁珠的峰值阻抗越高越好。但通常,磁珠的阻抗與DCR成反比關(guān)系。需喲根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況,在DCR和阻抗間做一折中選擇。
最后,就像前面所講的,磁珠的阻抗曲線要盡量平坦,以最大限度的濾除電源的高次諧波噪聲。
EMC磁珠到底是什么特性?(6)
假如磁珠用于信號(hào)線,那應(yīng)該如何選擇磁珠的種類呢?首先,我們應(yīng)該知道磁珠要用于何種信號(hào)線,比如是音頻,視頻還是其他。這也就是說(shuō)應(yīng)該知道信號(hào)的工作頻率。原則上,磁珠的阻抗峰值頻率應(yīng)至少高于信號(hào)的有效帶寬,否則會(huì)影響影響信號(hào)完整性,從而影響系統(tǒng)的正常工作。即使對(duì)于像音頻之類的低頻信號(hào),因?yàn)橐纛l信號(hào)通常是由音頻解碼器解碼而來(lái),其EMI噪聲通常是音頻解碼器的幾十MHz的時(shí)鐘頻率諧波。
因此,即使是低頻的音頻信號(hào),其EMI噪聲通常也會(huì)是高達(dá)幾十甚至幾百M(fèi)Hz的高頻噪聲。其次,要知道信號(hào)電流。對(duì)于大多數(shù)信號(hào)而言,像視頻,RS232等,僅僅是信號(hào)而已,并沒(méi)有太大的電流輸出,因此通常不需要考慮磁珠的額定電流。但對(duì)于音頻信號(hào),通常是有功率輸出的,此時(shí)磁珠的選擇就要考慮輸出電流。此時(shí)要將音頻信號(hào)折算成有效值來(lái)選取適當(dāng)額定電流的磁珠。
峰值阻抗應(yīng)選擇在可能出現(xiàn)EMI問(wèn)題的頻率點(diǎn)附近。用于高速信號(hào)的磁珠要注意阻抗匹配,比如用于視頻信號(hào)線的磁珠阻抗在100MHz左右要在50歐姆左右。用于信號(hào)線的磁珠,通常不需要考慮磁珠DCR,磁珠的尺寸要越小越好。最后就是磁珠的阻抗曲線要盡量陡峭,以免影響信號(hào)完整性。小磁珠,大學(xué)問(wèn)!但愿這幾篇拙文能夠給廣大讀者有些幫助。
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