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  • 电感(29)之铁氧体磁珠工作原理透彻详解

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    铁氧体磁珠(Ferrite Bead, FB)是一种利用电感原理制作而成的元器件,主要用于抑制信号或电源线的高频噪声和尖峰干扰,还具有吸收静电脉冲的能力,是目前应用发展很快且廉价易用的一种抗干扰器件,它的原理图符号通常与电感器是一样的。

     

    一根引线穿过铁氧体磁芯就组成最简单的磁珠,其基本结构如下图所示:

     

     

    可以说,每一位有经验的电子工程师都曾经将电感与磁珠对比过,这也是深入理解磁珠的一种途径(前提是你得先深入了解过电感,有了前面章节的铺垫自然不在话下),这里我们也来入乡随俗看看网络上的资料有哪些主流说法:

     

    1、电感的单位是亨利,磁珠的单位是欧姆;

    2、电感是储能元件,磁珠是能量消耗器件;

    3、电感多用于电源滤波回路,磁珠多用于信号回路及EMC对策;

    4、磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰,而电感则侧重于抑制传导性干扰;

    5、磁珠由氧磁体组成,电感由磁芯和线圈组成;

    6、磁珠是用来吸收超高频信号,像一些RF电路、PLL、振荡电路、含超高频存储器电路(DDR SDRAM,RAMBUS等)都需要在电源输入部分加磁珠,而电感是一种蓄能元件,用在LC振荡电路、中低频的滤波电路等,其应用频率范围很少超过50MHZ

    7、地与电源的连接一般用电感,而对信号线则采用磁珠。但实际上磁珠应该也能达到吸收高频干扰的目的,而且电感在高频谐振以后都不能再起电感的作用了;

    8、磁珠在高频段的阻抗由电阻成分构成,随着频率升高,磁芯的磁导率降低,导致电感的电感量减小,感抗成分减小,但是,这时磁芯的损耗增加,电阻成分增加,导致总的阻抗增加,当高频信号通过铁氧体时,电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉;

    9、磁导率μ可以表示为复数,实数部分构成电感,虚数部分代表损耗,随着频率的增加而增加。

     

    对于大多数工程师来说,磁珠与电感的区别都来源于此,但是真正在应用的时候却经常会有这样的困惑:这个地方用磁珠还是电感呢?好像两种都是可以的?网上搜一下看有没有现成的原理图参考一下,换言之,对磁珠与电感之间的本质区别不是很了解。

     

    如果读者很赞同上面所述几点,那可以不用往下看了,因为我不知道那几点说的什么意思,磁珠是怎么消耗能量的?磁珠为什么不能储能?你给我讲讲!讲得明白我给你献上膝盖!没有经过前面章节洗礼的读者还真的不一定能够讲清楚。老子连磁导率的本质是什么都没清楚,你就拿个复数来吓唬我,我书读得少,不要骗我(想表达的意思就是:不明白你在说什么,但是好像很厉害的样子,逼格挺高的),另外,磁珠怎么会没有磁芯和线圈? 

     

    很多读者就喜欢查找这类所谓“技术应用经验或要点”的资料,觉得这是别人总结出来的经验,非常有价值,并以此孜孜不倦地追求着,这正如同很多读者囫囵吞枣一般阅读《电子制作站》中文章,稀里哗啦手指快速划动一下就看完了,然后…然后就没有然后了!其实一点都没有用心去看。

    很多人看完文章之后问的一些问题明明在文章中已经明确有答案,原因就是:我们没有明确这样的一二三四点指出!给你渔网还不成,给你鱼也不成,非得把鱼煮好了再把刺去掉最后还得喂给你,你说这是什么尿性?如果最原始信息都不符合你的口味,那能否计算一下自己离渔网(基础)的距离有多远?这些所谓的经验都是从最基本的知识扩展出来的,但能够扩展出来的“经验”远不止这些,如果连最基本的知识都没弄明白,在技术的旅途上你能走得有多远?

    别人的经验可以看,但也得去辩证地接受,用局外人的格局来看待这些所谓的经验,切勿深陷其中(无论读者是做什么工作的,就算经常使用DDR4相关高速数字设计或模拟射频这些看似高逼格的东东,基础始终是最为重要的,能用最基础的知识解答那些貌似“高级”问题才算真正的牛逼)。

    经过前面这么多章节的技术讲解轰炸,咱翅膀也硬了,也学学《大汉天子》里东方慧的尿性,不管你写的什么东西,咱也非得滋出丈二的尿来,逐条用我们前面学过的最基本的知识检验检验这些经验。

     

    1、电感的单位是亨利,磁珠的单位是欧姆。这点似乎没什么好争议的,其实不然!

     

    我想说的是:这特么也算电感与磁珠的一个区别?首先,这句话本身是有问题的,根据我们前面学过的概念分层法,“电感”与“磁珠”不是一个层次的概念(电感也有“电感器”的意思),“电感器”与“磁珠”才是同一个层次的概念,那这句话理应是“电感器的单位是亨利,磁珠的单位是欧姆”,但还是不对劲?电感器是元器件的概念,单位是个数或PCS(有人说,你这就钻牛角尖了吧,但做技术就得钻牛角尖,很多看似简单的概念其实并不简单)

    其次,亨利或欧姆都是电感器或磁珠某一方面的参数,两种元器件都有这个参数,为什么你会以这个为理由认为两种有差别?我们先来看看磁珠的等效模型,如下图所示:

     

     

     

    其中,EPC表示并联寄生电容,LBEAD表示磁珠的电感成分,RAC为磁珠等效交流电阻(交流磁芯损耗),RDC为磁珠的直流电阻。有过一定磁珠应用经验的工程师都会对类似下图的ZRX曲线有印象:(来自VISHAY贴片磁珠ILBB-0603数据手册)

     

    一般磁珠规格书中的阻抗值都会以100MHz测试值为代表,如下图所示:

     

    而实际的电感器与电容器一样,也会有频率特性,其等效电路应如下图所示:

     

    电感的等效电路结构与磁珠是一样的,其中,EPC表示等效分布电容(线间电容为主),RDC表示线圈的直流电阻(铜损),RAC是磁芯的损耗(铁损)。电感器阻抗在较低的频率下显示出电感特性,并且几乎呈线性增加,当达到其自谐振频率时阻抗达到最大值,之后就显示电容特性,此后几乎线性下降,其频率曲线如下图所示:

     

    将磁珠与电感器的曲线图对比一下,可以看到大体的频率曲线趋势也是差不多的,阻抗都是先高再低的过程,那为什么电感器就不能够替代磁珠呢?有人说:电感器的自谐振频率比较低,高频应用场合就用不了了,那一般电感的自谐振频率可以达到多少呢?我们看看0603贴片电感的自谐振频率,如下图所示(来自VISHAY贴片电感ILSB-0603数据手册):

     

    上表可以看出,100MHz自谐振频率多了去,而且在超过自谐振频率后,阻抗在较大的范围内也不比磁珠低,一点都不逊色于磁珠,换言之,从高频阻抗的这个角度,电感器完全可以代替磁珠!

    事实上,从本质来讲,磁珠就是电感器的一种,有些规格书上也把磁珠称之为磁珠电感器,如下图所示(来自村田MURATA技术手册):

     

    很多厂家也把磁珠归在电感器一类,因为两者原理是完全一致的,只不过频率特性曲线有所差别:磁珠将电感器的高频阻抗特性加强,并同时将低频阻抗特性削弱,换言之,我们在使用电感器的场合,主要是利用电感器的电感量,其单位是亨利,而我们使用磁珠时,主要利用其高频阻抗特性,阻抗的单位是欧姆

     

    2、电感是储能元件,磁珠为能量消耗器件。有人说:我去,这还需要理解吗?地球人都知道!你可以不用往下看了,因为你已经比奥特曼更厉害了!我要提的是两个问题:

    其一、磁珠为什么不是储能元件?

    其二、磁珠是如何消耗能量的?

     

    对于其一,有些读者说:因为磁珠的电感量很小!在理,然而这只是表象!电感量跟能量储存的大小没有必然关系,有人争辩道:不是有个W=(1/2)LI2公式吗?地球人都知道呀!这个公式在实际应用中成立的前提条件是:磁芯未饱和!换言之,电感量大意味着可能储存的能量大(也可能小),更何况,有些磁珠也有那么两三圈,电感量还没小到可以忽略的程度。

     

    我们依然可以根据前面学习过的基础知识判断磁珠是不是储能元件。在前面章节就详细讨论过各种磁性器件储能位置的特点:有能量储存的地方必定会有磁通的变化量,如下图所示磁棒电感:

     

    磁芯中的磁通量ɸ2非常大,而一旦磁路在磁芯范围外就遇到空气,由于空气聚集磁通能力弱而使得磁通发散开来,对于相同的截面积S,磁通量ɸ1非常小,这样就存在磁通变化量ɸ2- ɸ1(磁势差),换言之,其中就存储着能量(详情可参考第八节)

    而磁珠的磁芯中磁路如下图所示:

     

    这不是与磁环电感的磁路是一样的吗?你不是在前面已经介绍过,宏观上虽然磁路各处的截面积S内没有磁通变化量,但微观上是有的呀!那磁珠也应该可以储能呀!但是大家要注意:我们之前讨论的是铁粉芯之类的材料,而磁珠的材料是铁氧体,铁氧体的磁导率是非常高的

    有些读者(特别是没有通读前面章节的)对这句话不是很敏感,如果我们不提的话根本就不太在意,磁芯的磁导率高意味着什么?有人想到电感量L的公式,在相同的条件下,磁芯磁导率越高μ则电感量越大,继而能够储存的能量也越大,然而,这跟我们讲的储能没有一毛钱关系(不要转了半天回到电感量的原点)

    磁芯的磁导率高意味着内部的分布气隙非常少,而分布气隙是磁环能够储存能量的本质所在,换言之,内部储能的位置也非常少(理想的铁氧体磁芯是没有能量存储的)

    那磁珠又是如何消耗能量的呢?我们都知道,当导线有电流通过时,即会产生静磁场,如下图所示:

      导线周围磁力线的方向可用“右手定则”来决定:用右手握住导体,如果拇指的方向为电流流动的方向,则其它手指的指向即磁力线的方向(这个电流方向是指规定的电流方向,而不是电子流动的方向)。

     

    磁场是含有能量的,但静磁场是无法进行能量转换的!我们只需要将一个闭合回路的某个活动部分来回运动(切割磁力线)就能够产生电流,因为穿过闭合回路的磁通量已经发生了改变,如下图所示:

     

     

             这就是著名的法拉地定律:只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,移动的导体就会产生感应电动势,则闭合电路中就有电流产生。这种现象称为电磁感应现象,所产生的电流称为感应电流。

    上图切割磁力线的方式与下图是类似的,即闭合线圈左右移动切割导体产生的磁场,尽管静磁场本身没有磁通量的变化,但闭合线圈在移动时还是会有磁通变化量的存在。

     

    我们还有一个方法在闭合线圈中产生电流,就是使磁场发生变化,这样就算闭合线圈不移动,交变磁场也会在闭合线圈产生磁通变化量,继而产生感应电流,如下图所示:

     

    高频交流源变化越快,则产生的交变磁场变化也越快,相应的闭合线圈中产生的感应电流也相应越大。

     

    一整块铁板本身也可以等效为一个闭合线圈,这样在高频交流产生的交变磁场在铁板上产生感应电流(涡流电流),这种损耗称为涡流损耗,如下图所示:

    涡流产生的热效应在很多场合都是有害的,但工业上利用这种涡流效应可以制成高频感应电炉来冶炼金属,如下图所示:

     

    高频交流源在线圈内激发出很强的高频交变磁场,这时放在坩埚内被冶炼的金属因电磁感应而产生涡流,释放出大量的焦耳热,从而使自身熔化,换言之,电能通过交变磁场转换为热能消耗掉了

    磁珠也是利用同样的原理制作而成的,如果把铁板卷成一个圆柱形套在导体上,就形成了一个磁珠了,这么说来用一个铁戒指也可以当作磁珠了?呵呵!原理上真的可以,但是一根导体产生的磁通量实在是太小了,我们需要一种磁导率很高(相当于磁力线更容易通过,这与电流从低阻抗通道经过是类似的)的材料来收集导体周围在磁场,从这个意义上来讲,磁导率高的材料也有放大磁通量的好处,这样当含有高频噪声成分的直流电流通过磁芯时,就如下图所示:

     

    低频或直流电流产生的低速变化或静磁场,其产生的磁通变化量也比较小,在铁氧体磁芯上几乎不存在涡流损耗;而高频噪声电流在铁氧体磁芯上产生的高速变化的交变磁场,并在磁芯中产生非常大的涡流(能量)损耗,如下图所示:

     

    一些规格书中把磁珠的等效电路图画成下图所示:

     

     

    这很容易误导工程师理解磁珠的工作原理,以为磁珠是因为高频时电阻很大而起到抑制高频噪声的作用。然而很明显,如果需要磁珠能够有效抑制某高频分量,则该高频信号通过磁珠时,磁芯中的涡流损耗应该是比较大的,亦即磁芯电阻率相对也应该比较小的(你可以理解为电阻较小),这与图表上的阻抗值趋势恰好是相反的,换言之,我们说磁珠阻抗越大,实际此时磁芯电阻率应该是越小的,这样热能量的消耗才会越大,只不过这种行为对于外部高频信号表现出的阻抗比较大。

    我们可以用下图来理解磁珠的阻抗(仅作阻抗示意之用)

     

    假设电容C1的自谐振频率恰好等于高频交流源的频率,则电阻R1的大小就能决定负载RL上能够获取高频交流源的成分大小,这里的电阻R1就相当于磁珠磁芯在高频下的电阻率,电阻R1越小(最小是0),通过RC支路的成分就越多,则负载RL上的成分就越小,我们认为磁珠此时的阻抗是较高的(电阻与阻抗的大小趋势相反)。

     

     

    下一节我们再讨论其它的“经验”项,想听的记得搬上板凳呀,么么哒~~

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