磁珠电感资料

磁珠（Magneticbead）是近年来问世的一种超小型的非晶合金磁性材料，它与铁氧体属两种材料。市售的磁珠外形与塑封二极管相仿，外形呈管状，但改用磁性材料封装，内穿一根导线而制成的小电感。常见磁珠的外形尺寸有Φ2.5×3（mm）、Φ2.5×8（mm）、Φ3×5（mm）等多种规格。供单片开关电源使用的磁珠，电感量一般为几至几十μH。磁珠的直流电阻非常小，一般为0.005Ω～0.01Ω。通常噪声滤波器只能吸收已发生了的噪声，属于被动抑制型；磁珠的作用则不同，它能抑制开关噪声的产生，因此属于主动抑制型，这是二者的根本区别。磁珠可广泛用于高频开关电源、录像机、电子测量仪器、以及各种对噪声要求非常严格的电路中。

片式电磁干扰对策元件的特性及其应用（1） 

1引言 

    由于电磁兼容的迫切要求，电磁干扰（EMI）对策元件获得了广泛的应用，特别是近年来发展起来的品种繁多的片式EMI对策元件,更引起人们的关注。在各种现代电子产品中，为了达到电磁兼容的要求，几乎都采用了这类元件。但值得注意的是，这类元件品种多，性能各异，不像阻容元件那样的系列化、标准化，所以，必须全面了解各种EMI对策元件的特性，并根据具体情况，恰当地选择和正确地使用这些元件才能收到满意的效果。本文对目前主要的几类片式EMI对策元件的特性及其应用进行简要的评述。 

2片式铁氧体磁珠 

2.1 片式铁氧体磁珠是1种获得广泛应用的物美价廉的EMI对策元件，在EMI对策中占有重要的位置。

片式铁氧体磁珠的基本特性 

    片式铁氧体磁珠的结构和等效电路如图1所示。实质上它就是1个叠层型片式电感器,是由铁氧体磁性材料与导体线圈组成的叠层型独石结构。由于是在高温下烧结而成,因而致密性好、可靠性高。两端的电极由银/镍/焊锡3层构成,可满足再流焊和波峰焊的要求。 

（b）等效电路    （a）片式铁氧体磁珠的结构 

图1片式铁氧体磁珠的结构与等效电路 

    在图1所示的等效电路中，R代表由于铁氧体材料的损耗(主要是磁损耗)以及导体线圈的殴姆损耗而引起的等效电阻;C是导体线圈的寄生电容。等效电路的阻抗Z可以表达为Z=R＋jX,其中X是电抗，Z、R、X都是频率f的函数。图2是片式铁氧体磁珠的|Z|、R、X随频率f变化的典型曲线。从这些曲线可以看出：|Z|、R、X随频率的提高而上升，直至由寄生电容C引起的自谐振频率X迅速下降，并由感性转为容性。在自谐振频率处,|Z|达到最大值。利用铁氧体磁珠|Z|～f曲线的特征,可以达到让低频信号通过而同时抑制高频噪声的目的。值得注意的是,高频噪声的能量是通过铁氧体磁矩与晶格的耦合而转变为热能散发出去的,并非将噪声导入地或阻挡回去,如旁路电容器那样。因而，在电路中安装铁氧体磁珠时,不需要为它设置接地点。这是铁氧体磁珠的突出优点之一。 

图2片式铁氧体磁珠的阻抗频率特性曲线 

    片式铁氧体磁珠的外形尺寸与公差符合EIA/EIAJ片式元件标准,有3216(1206)、2012(0805)、1608(0603)、1005(0402)和0603(0201)等几种规格,目前的主流尺寸为1608和1005,有可能几年之后发展到0603(0.6mm×0.3mm)。从阻抗特性及其应用来看,片式铁氧体磁珠可以分成几类,应用于不同的场合,本文将分别予以介绍。 

    我国片式铁氧体磁珠的生产技术已经达到国际一流水平,品种规格齐全,性能优良,年生产能力超过40亿只。著名生产厂家有深圳南虹电子陶瓷公司、清华同方鲁颖公司等;国外的公司有AEM、TDK、Taiyoyuden、Murata等。 

2.2片式铁氧体磁珠的分类及应用 

2.2.1通用型片式铁氧体磁珠 

    这是应用最为广泛的1类EMI对策元件,其典型的阻抗～频率特性曲线如图2所示。生产厂家一般提供100MHz时的阻抗|Z|、直流电阻和额定电流等数据。例如,表1就是深圳南虹公司生产的BG1005系列通用型片式铁氧体磁珠的数据。同时,生产厂家还必须提供|Z|～f曲线。在选用时,主要依据其|Z|～f曲线的特征。不同的片式铁氧体磁珠，其阻抗|Z|随频率的上升趋势是不相同的。选择原则是:在有用的信号频率范围内|Z|尽可能低,不致造成信号的衰减和畸变;而在需要抑制的电磁骚扰高频范围内,|Z|尽可能高,将高频噪声有效抑制,同时还要考虑其直流电阻和额定电流。 

                  表1    BG1005系列通用型片式铁氧体磁珠的电气参数 型号  阻抗/Ω（±25％）  测试频率/MHz  直流电阻/Ω(max)  额定电流/mA(max)  

BGL1005A050H  5  100  0.05  500  

BGL1005A070H  7  100  0.05  500  

BGL1005A110H  11  100  0.05  500  

BGL1005A190H  19  100  0.05  300  

BGL1005A310H  31  100  0.25  300  

BGL1005A600H  60  100  0.4  200  

BGL1005A800H  80  100  0.4  200  

BGL1005A12IH  120  100  0.5  150  

BGL1005A18IH  180  100  0.6  150  

BGL1005A30IH  300  100  0.8  100  

BGL1005A50IH  500  100  1.2  100  

BGL1005A60IH  600  100  1.5  100  

　 

2.2.2大电流型片式铁氧体磁珠

    片式铁氧体磁珠所能承受的额定电流与其材料和结构有关,如表1所示,对于通用型1005规格片式铁氧体磁珠而言,当其100MHz的阻抗为15Ω时,额定电流可以达到500mA,当阻抗提高到150Ω时,额定电流下降到150mA;100MHz时阻抗为150Ω的1005、1608、20123种规格的通用型片式铁氧体磁珠的额定电流分别为150mA、200mA、800mA。如果超过额定电流将会出现两个问题:一是由于偏置电流过大,使铁氧体接近饱和,导磁率下降,以致抑制高频噪声的效果明显减弱,如图3所示;二是导致消耗电能,对于用电池驱动的便携式电子产品来说,这是不能允许的。然而在某些场合,必须要求片式铁氧体磁珠能够承受较大的电流。例如,安装在DC电源输出端口的片式铁氧体磁珠,必须在通过大的DC电流的同时能够有效地抑制DC电源中产生的高次谐波分量,即片式铁氧体磁珠必须在大的偏置磁场下对高频信号仍然保持较高的阻抗值。在现代数字电子产品的电源电路、USB电源线及DVD等电子产品的激光束驱动电路中都会遇到这样的问题。 

    为此,生产厂家开发了大电流型片式铁氧体磁珠,额定电流几乎提高了1个数量级。如深圳南虹的MBW系列产品中的1608规格,当其100MHz阻抗为150Ω时,其额定电流高达3500mA;图4是日本村田公司的新产品BLM18E通过大电流时的|Z|～f曲线,与图3比较,可以看出有明显的差别,在大的DC电流下,它对高频噪声仍能保持很高的阻抗值。 

图3通用型片式铁氧体磁珠在不同电流时的阻抗特性曲线 

图4大电流型片式铁氧体磁珠在不同电流时的阻抗特性曲线 

图5GHz高频型片式铁氧体磁珠的阻抗特性曲线 

（图中符号为村田公司的型号） 

2.2.3低DC电阻型片式铁氧体磁珠 

    在某些情况下,要求片式铁氧体磁珠的DC电阻越小越好。例如,所有电池驱动的便携式电子产品都要求减少电阻延长电池的使用时间;随着高速数字电路的发展,IC电源的功率消耗增加,所以在IC电源线中插入的片式铁氧体磁珠必须是低DC电阻型;IC及半导体器件的工作电压逐步下降,这也要求片式铁氧体磁珠的DC电阻下降;另外,片式铁氧体磁珠的DC电阻会引起热噪声,在某些电路中是不允许的。 

    为了解决上述问题,近年来生产厂家提高了材料的导电性,优化了导体线圈的结构设计,从而大大降低了片式铁氧体磁珠的DC电阻。现在已经有DC电阻低于0.01Ω的片式铁氧体磁珠面市,供用户选择。 

2.2.4GHz高频型片式铁氧体磁珠 

    数字电路高速化的发展趋势非常强劲，时钟频率越来越高。这样,一方面将电磁干扰的频率范围向高频段扩展,直至2GHz～3GHz;另一方面,由于高速数字信号的脉冲波形更加陡峭,以致基波频率提高,为了使这样的信号通过片式铁氧体磁珠后波形不发生畸变,就要求它对3次谐波乃至5次谐波不产生大的损耗。这就意味着装入高速数字电路的片式铁氧体磁珠在几百MHz(例如400MHz)以下的频段内保持低阻抗|Z|,以致不引起信号波形的畸变;而在几百MHz至2GHz～3GHz的高频段内具有高阻抗|Z|,能够有效地抑制高频电磁干扰。 

    为了满足上述要求,生产厂家努力开发出一些GHz高频型片式铁氧体磁珠。清华大学材料系周济教授带领的科研组开发成功低温烧结Z型6角晶系铁氧体材料,用这种材料做出了此类GHz高频型片式铁氧体磁珠,并已在山东清华同方鲁颖公司试产。图5是日本村田公司的新产品,TDK在这种产品方面居于世界领先水平。 

2.2.5尖峰型片式铁氧体磁珠 

    一些电子产品有时会在某一固定的频率下出现强烈的干扰信号。出现这种现象的原因很多,例如高次谐波、自激振荡或外界干扰等。由于这样的干扰信号出现在固定的频率下,幅度很大,用普通的EMI对策元件很难抑制。针对这种情况,生产厂家开发了1种称之为尖峰型片式铁氧体磁珠的产品,其|Z|～f曲线如图6所示。在某一频率下,阻抗|Z|呈现尖锐的峰值。显然,如果尖峰型片式铁氧体磁珠的阻抗|Z|呈现尖锐峰值的频率与干扰信号的频率重合,那么就能够将这个幅度很高的强烈干扰有效抑制。值得提出的是，不同电子产品出现这样的干扰信号的频率是不相同的,因此,最好根据产品的具体情况(干扰信号的频率、频带、幅度等)向片式铁氧体磁珠生产厂家专项订购,才能达到满意的效果。 

2.2.6片式铁氧体磁珠阵列(磁珠排) 

    将几个(一般是2个、4个、6个、8个)铁氧体磁珠并列封装在一起,构成1个集成型片式EMI对策元件,称之为片式铁氧体磁珠阵列或磁珠排,其外观和等效电路如图7所示。例如南虹的BMA2010型就是将4个磁珠并列封装在2.0mm×1.0mm尺寸的外壳内,其中每1线的性能与单个磁珠相同。如果需要,上述的几类片式铁氧体磁珠均可做成阵列元件。在电子产品中的某些有排线的部位,如I/O排线,使用这种阵列式元件非常方便,既能节省PCB的占用面积,又能提高贴装速度。 

图6尖峰型片式铁氧体磁珠的|Z|、R、X随频率变化的典型曲线 

(a)片式铁氧体磁珠阵列    (b)等效电路 

图7片式铁氧体磁珠阵列的外观及等效电路 

在USB接口的电源端采用一个磁珠，以减少主机和设备的干扰

有些探头在地线上增添铁磁磁珠以减小振铃。但您会为此付出增加地线阻抗的代价，而这又会降低探头的共模抑制

铁氧体在抑制电磁干扰中的应用

用铁氧体磁性材料抑制电磁干扰（ＥＭＩ）是经济简便而有效的方法，已广泛应用于计算机等各种军用或民用电子设备。那么什么是铁氧体呢？如何选择，怎样使用铁氧体元件呢？这篇文章将对这些问题作一简要介绍。

　　一、什么是铁氧体抑制元件

　　铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料，它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似。但颜色为黑灰色，故又称黑磁或磁性瓷。铁氧体的分子结构为ＭＯ•Ｆe2Ｏ3，其中ＭＯ为金属氧化物，通常是ＭnＯ或ZnＯ。

　　衡量铁氧体磁性材料磁性能的参数有磁导率μ，饱和磁通密度Ｂs，剩磁Ｂr和矫顽力Ｈc等。

　　对于抑制用铁氧体材料，磁导率μ和饱和磁通密度Ｂs是最重要的磁性参数。磁导率定义为磁通密度随磁场强度的变化率。 

μ＝△Ｂ／△Ｈ 

　　对于一种磁性材料来说，磁导率不是一个常数，它与磁场的大小、频率的高低有关。当铁氧体受到一个外磁场Ｈ作用时，例如当电流流经绕在铁氧体磁环上的线圈时，铁氧体磁环被磁化。随着磁场Ｈ的增加，磁通密度Ｂ增加。当磁场Ｈ场加到一定值时，Ｂ值趋于平稳。这时称作饱和。对于软磁材料，饱和磁场Ｈ只有十分之几到几个奥斯特。随着饱和的接近，铁氧体的磁导率迅速下降并接近于空气的导磁率(相对磁导率为１）如图１所示。      

图1 铁氧体的B-H曲线 

　　铁氧体的磁导率可以表示为复数。实数部分μ'代表无功磁导率，它构成磁性材料的电感。虚数部分μ"代表损耗，如图２所示。

　　                   μ＝μ'－jμ"      

图2 铁氧体的复数磁导率 

　　磁导率与频率的关系如图３所示。在一定的频率范围内μ'值（在某一磁场下的磁导率）保持不变，然后随频率的升高磁导率μ'有一最大值。频率再增加时，μ'迅速下降。代表材料损耗的虚数磁导率μ"在低频时数值较小，随着频率增加，材料的损耗增加，μ"增加。如图３所示，图中tanδ=μ"/μ' 

图3 铁氧体磁导率与频率的关系 

图4 铁氧体抑制元件的等效电路（a）和阻抗矢量图（b） 

二、铁氧体抑制元件的阻抗和插入损耗

　　当铁氧体元件用在交流电路时，铁氧体元件是一个有损耗的电感器，它的等效电路可视为由电感Ｌ和损耗电阻Ｒ组成的串联电路，如图４所示。 

　　铁氧体元件的等效阻抗Ｚ是频率的函数Z(f)=R(f)+jωL(f)=Kωμ"(f)+jKωμ'(f) 

　　式中：Ｋ是一个常数，与磁芯尺寸和匝数有关，ω为角频率。

　　损耗电阻Ｒ和感抗jωＬ都是频率的函数，图５是材料８５０磁珠的阻抗、感抗和电阻与频率的关系。在低频端（<１０ＭＨｚ）阻抗小于１０Ω，随着频率的增加，由于电阻分量增加，使阻抗增加，电阻逐渐成为主要部分。在频率超过１００ＭＨｚ时，磁珠的阻抗将大于１００Ω。这样就构成一个低通滤波器，使高频噪音信号有大的衰减，而对低频有用信号的阻抗可以忽略，不影响电路的正常工作。这种滤波器优于普通纯电抗滤波器。后者会产生谐振，造成新的干扰，而铁氧体磁珠则没有这种现象。      

图5 铁氧体的阻抗与频率的关系 

　　铁氧体抑制元件应用时的等效电路如图６所示。图中Ｚ为抑制元件的阻抗，Ｚs和ＺＬ分别为源阻抗和负载阻抗，Ｚ为铁氧体抑制元件的阻抗。

　　通常用插入损耗表示抑制元件对ＥＭＩ信号的衰减能力。器件的插入损耗越大，表示器件对ＥＭＩ噪音抑制能力越强。      

图6 铁氧体抑制元件应用电路 

插入损耗的定义为      

式中：Ｐ１、Ｖ１分别为抑制元件接入前，负载上的功率和电压。

Ｐ２、Ｖ２分别为抑制元件接入后，负载上的功率和电压。

插入损耗和抑制元件的阻抗有如下关系：      

　　由上式可见，在源阻抗和负载阻抗一定时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频率的函数，所以插入损耗也是频率的函数。抑制元件的阻抗包括感抗和电阻部分，两部分对插入损耗都有贡献。在低频时，铁氧体的μ"的值较小，损耗电阻较小，主要是感抗起作用。在高频端，铁氧体的μ'值开始下降，而μ"值增大，所以损耗起主要作用。低频时，ＥＭＩ信号被反射而受到抑制，在高频端，ＥＭＩ信号被吸收并转换成热能。

三、铁氧体抑制元件的应用

　　铁氧体抑制元件广泛应用于ＰＣＢ，电源线和数据线上。

１、铁氧体抑制元件在ＰＣＢ上的应用

　　ＥＭＩ设计的首要方法是抑源法，即在ＰＣＢ上的ＥＭＩ源将ＥＭＩ抑制掉。这个设计思想是将噪音在小的区域，避免高频噪音耦合到其他电路，而这些电路通过连线可能产生更强的辐射。

　　ＰＣＢ上的ＥＭＩ源来自周期开关的数字电路。其高频电流在电源线和地之间产生一个共模电压降，造成共模干扰。电源线或信号线会将ＩＣ开关的高频噪声传导或辐射出去。

　　在电源线和地之间加一个去耦电容，使高频噪音短路，但是去耦电容常常会引起高频谐振，造成新的干扰。在电路板的电源进口加上铁氧抑制磁珠会有效的将高频噪音衰减掉。

２、铁氧体抑制元件在电源线上的应用

　　电源线会把外界电网的干扰、开关电源的噪音传到主机。在电源的出口和ＰＣＢ电源线的入口设置铁氧体抑制元件，既可抑制电源与ＰＣＢ之间的高频干扰的传输，也可抑ＰＣＢ之间高频噪音的相互干扰。

　　值得注意的是，在电源线上应用铁氧体元件时有ＤＣ偏流存在。铁氧体的阻抗和插入损耗随着ＤＣ偏流的增加而减少。当偏流增加到一定值时，铁氧体抑制元件会出现饱和现象。在ＥＭＣ设计时要考虑饱和或插入损耗降低的问题。铁氧体的磁导率越低，插入损耗受ＤＣ偏流的影响越小，越不易饱和。所以用在电源线上的铁氧体抑制元件，要选择磁导率低的材料和横截面积大的元件。

　　当偏流较大时，可将电源的出线（ＡＣ的火线，ＤＣ的十线）与回线（ＡＣ的中线，ＤＣ的地线）同时穿入一个磁管。这样可避免饱和，但这种方法只抑制共模噪音。

３、铁氧体抑制元件在信号线上的应用

　　铁氧体抑制元件最常用的地主就是信号线，例如在计算机中，ＥＭＩ信号会通过主机到键盘的电缆线传入到主机的驱动电路，而后耦到ＣＰＵ，使其不能正常工作。主机的数据或噪音也可通过电缆线传出去。铁氧体磁珠可用在驱动电路与键盘之间，将高频噪音抑制。由于键盘的工作频率在１ＭＨｚ左右，数据可以几乎无损耗地通过铁氧体磁珠。

　　偏平电缆也可用专用的铁氧体抑制元件，将噪音抑制在其辐射之前。

４、铁氧体抑制元件的选择

　　铁氧体抑制元件有多咱材料和各种形状、尺寸供选择。为选择合适的抑制元件，使对噪音的抑制更有效，设计者必须知道需要抑制的ＥＭＩ信号的频率和强度，要求抑制的效果即插入损耗值以及允许占用的空间包括内径、外径和长度等尺寸。

４－１铁氧体材料的选择

　　不同的铁氧体抑制材料，有不同的最佳抑制频率范围，与磁导率有关。通常材料的磁导率越高，适用抑制的频率就越低。下面是常用的几种抑制铁氧体材料的适用频率范围：

　　磁导率　　　　最佳抑制频率范围

　　125　　　　　　>200MHz　　

　　850           30MHz～200MHz

　　2500         10MHz～30MHz

　　5000 　　　　<10MHz

　　在有ＤＣ或低频ＡＣ偏流情况下，要考虑到抑制性能的下降和饱和，尽量选用磁导率低的材料。

４－２　铁氧体抑制元件尺寸的选择

　　铁氧体材料选定之后，需要选定抑制元件的形状和尺寸。抑制元件的形状和影响到对噪音抑制的效果。

　　一般来说，铁氧体的体积越大，抑制效果越好。在体积一定时，长而细的形状比短而而粗的形状的阻抗要大，抑制效果更好。但在有ＤＣ或ＡＣ偏流的情况下，要考虑到饱和问题。铁氧体抑制元件的横截面积越大，越不易饱和，可承受的偏流越大。另外，铁氧体的内径越小，抑制效果越好。

　　总之，铁氧体抑制元件选择的原则是，在使用空间允许的条件下，选择尽量长，尽量厚和内孔尽量小的铁氧体抑制元件。

５、铁氧体抑制元件的安装

　　同样的铁氧体抑制元件，由于安装的位置不同，其抑制效果会有很大区别。

　　在大部分情况下，铁氧体抑制元件应安装在尽可能接近干扰源的地方。这样可以防止噪音耦合到其他地方，在那些地方可能噪音更难以抑制。但是在Ｉ／Ｏ电路，在导线或电缆进入或引出屏蔽壳的地方，铁氧体器件，应尽可能靠近屏蔽壳的进出口处，以避免噪音在经过铁氧体抑制元件之前耦合到其他地方。

　　铁氧体磁管穿在电缆上后要用热缩管封好。