磁珠的基礎知識

磁珠是EMC工程師常用的濾波器件，用來抑制電路中的高頻噪聲。磁珠的主要成分是鐵氧體材料，鐵氧體是一種立方晶格結構的亞鐵磁性材料，鐵氧體材料分為鐵鎂合金或者鐵鎳合金，制造工藝和機械性能與陶瓷相似，顏色為黑色，也稱為鐵氧體磁珠。

圖1：插件鐵氧體磁珠

01、磁珠的工作原理

磁珠主要用于抑制信號線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，具有吸收瞬態高頻脈沖的能力。在低頻段，磁芯的磁導率很高，電感量較大，主要是電感成分在起作用，電磁干擾噪聲被反射回到源端，此時磁珠就類似一個低損耗，高Q值的電感。在高頻段，阻抗主要由電阻成分構成，隨著頻率升高磁芯的磁導率降低，導致感性成分降低，電感量下降，而磁芯的損耗增加，電阻成分變大阻抗增加，當高頻電流流過鐵氧體磁珠時，通過電阻成分轉化為熱能消耗掉。  

圖2：磁珠的電路符號

02、磁珠的內部結構

磁珠由線圈、鐵氧體磁芯、外面的鍍層、封裝構成，片狀鐵氧體磁珠的典型結構如下圖所示：磁珠從結構上跟電感基本相似，主要是磁芯、線圈的匝數上差異。

圖3：片狀鐵氧體磁珠的典型結構（傳統型）

03、磁珠的分類

磁珠根據使用的磁芯材料不同、封裝結構不同、應用場合不同等分類

• 根據封裝結構分類    

根據磁珠的封裝分為：貼片磁珠、插件磁珠。貼片磁珠又分為單體貼片磁珠、磁珠排，根據繞線方式分為片狀磁珠、繞線磁珠。插件磁珠分為穿心磁珠、普通插件磁珠等。

圖4：貼片繞線磁珠

圖6：貼片磁珠排

• 根據使用材料分類

根據磁珠制造的鐵氧體材料不同分為：鐵鎂合金磁珠、鐵鎳合金磁珠。不同的鐵氧體材料磁導率μ和磁通密度BS參數影響磁珠的頻率特性。

• 根據磁珠的應用場合分類

根據磁珠的應用場合，大致可將磁珠分為普通型、大電流型、尖峰型等。

普通型：普通型磁珠用于電流不太大（一般小于600mA），無特殊要求的場合，它的直流電阻一般為零點幾歐姆，阻抗范圍一般為幾十歐姆到幾千歐姆之間，能有效抑制、吸收噪聲干擾。    

大電流型：大電流型磁珠應用于電流較大的場合，應用于電流場合磁珠要求直流電阻必須很小，約小于普通型磁珠一個量級，阻抗一般也較小，阻抗范圍通常是幾歐姆到幾十歐姆之間。

尖峰型：此型號磁珠特性為某一個頻率范圍內其阻抗急劇上升，從而在特定頻率獲得較高的衰減效果而對有用信號的影響較小根據磁珠制造的鐵氧體材料不同分為：鐵鎂合金磁珠、鐵鎳合金磁珠。不同的鐵氧體材料磁導率μ和磁通密度BS參數影響磁珠的頻率特性。

圖8：尖峰型磁珠的阻抗曲線 

04、磁珠的主要參數

磁珠的主要參數包含：阻抗、直流電阻（DCR）、額定電流、諧振頻率、損耗等。

• 阻抗

磁珠阻抗是在特定條件下(100MHz頻率)測得，常見標識為600ohm@100MHz，表示磁珠在100MHz頻率下，阻抗是600ohm。通常是阻抗越大，對噪聲的抑制效果越好，阻抗越大，噪聲通過時產生的熱量就越大。

磁珠阻抗用100MHz頻率下測試結果表示，是業界認同的標準，磁珠阻抗并不是固定的，是隨著頻率的變化，以及隨著電流的變化阻抗都會相應的發生變化，磁珠阻抗是交流阻抗。    

圖5：600ohm磁珠的阻抗曲線

• 直流電阻（DCR）

直流電流通過磁珠時，磁珠呈現的電阻值，磁珠的直流電阻是越小越好，越小在磁珠上產生的壓降就越小，對有用信號的衰減也越小。磁珠的直流電阻由導線長度、繞線線徑、封裝共同決定。

• 額定電流（IRAT）

額定電流是磁珠關鍵參數之一，指電路正常工作時允許通過磁珠的最大電流。磁珠的直流電阻會產生損耗而發熱，磁珠能通過的最大電流，可以理解為有效值，它指溫升電流，自我溫升不超過20—40℃（不同廠家有差別）。

• 額定電流與溫度的關系曲線    

圖6：額定電流與溫度關系曲線

由上圖可知，當磁珠的溫度超過85℃時，它的額定電流也會急劇下降，使用磁珠時應關注磁珠的溫度做降額使用。

• 偏置電流對磁珠的影響

隨著偏置電流的增大，磁珠材料會出現飽和特性，導致鐵氧體磁珠電感下降，電感的飽和程度根據磁芯材料不同。直流偏置電流的影響可通過不同頻率下阻抗值的減少來確定，阻抗降低意味著噪聲抑制能力的下降，下圖顯示鐵氧體磁珠阻抗如何隨著直流偏置電流的變化而改變。

圖7：偏置電流與阻抗關系曲線

• 磁珠的損耗

磁珠的損耗主要為鐵芯損耗，鐵芯損耗=磁滯損耗+渦流損耗。磁滯損耗：鐵磁材料在交變磁場作用下反復磁化時，內部磁疇不停的往返倒轉而消耗能量，產生損耗，這種損耗稱為磁滯損耗，磁滯損耗和磁場交變頻率及磁滯回線的面積成正比。

渦流損耗：鐵磁滯材料中的磁通交變時，會感應電動勢和電流，電流呈旋渦狀，稱為渦流電流，渦流在鐵磁材料的內部電阻上產生損耗，稱為渦流損耗。

圖8：磁珠損耗示意圖

05、磁珠等效電路

磁珠的等效電路是一個直流電阻（DCR）串聯一顆電感、電容、電阻的并聯，其中并聯的電阻、電容、電感都是頻率的函數，感抗、容抗受工作頻率影響很大。

圖8：磁珠電路等效模型

當磁珠工作頻率低于自諧振頻率時，磁珠呈現電感特性；當磁珠工作頻率等于自諧振頻率時，磁珠是純電阻特性，阻抗最大；當磁珠工作頻率高于自諧振頻率時磁珠呈現容性。