什么是磁珠 磁珠的作用和工作原理 磁珠的参数和应用场合讲解

磁珠想必大家都不陌生，很多人见过，用过，但是不知是否有总结过呢？ 我印象比较深刻的是，在一次面试的时候，面试官问我磁珠和电感在滤波方面的区别。那是我第一次对磁珠这个东西有了概念。

在后来，在工作中看别人用，自己用，再到现在自己总结，给别人讲磁珠。

1. 磁珠的定义

磁珠是一种被动组件，用来抑制电路中的高频噪声。磁珠是一种特别的扼流圈，其成分多半为铁氧体，利用其高频电流产生的热耗散来抑制高频噪声。磁珠有时也称为磁环、EMI滤波器、铁芯等（维基百科）。

磁珠是滤波常用的器件，铁，镍，锌氧化物混合而成，所以称为铁氧体磁珠，铁氧体磁珠因为电阻率非常高，磁导率（100~1500）较高的特性，串接在信号或电源通路上，用于抑制高频噪声。当电流流过铁氧体磁珠时，低频电流可以几乎无衰减地流过，但高频电流却会受到很大的损耗，转变成热量散发。

2. 磁珠的用法

磁珠的主要原料为铁氧体，专用于两种场合，抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰。磁珠有很高的电阻率和磁导率。 应用案例如下图所示：  



3. 磁珠滤波作用

在总结磁珠的滤波特性之前，有必要对比一下电容和电感的滤波特性。

电容的滤波原理

根据前面的定义，磁珠一般是用在滤除高频噪声干扰的场合。电容在高频区实现滤波的是依据电容自身阻抗的表达式：



当经过电容的噪声信号频率越高时，电容的容抗越小，因此高频噪声越容易通过电容，如果此时将电容对地放置，那么高频噪声就会经过低阻抗的电容到地。

电感的滤波原理

电感用在滤波电路中是利用自身的感抗，在高频时，电感的感抗会增加。根据感抗的公式：



噪声的频率越高，电感的阻抗越大，那么在噪声经过电感时，会因为碰到巨大的阻碍，导致信号被反射回去。可以假想此时的噪声Noise是高压枪水管，电感是一堵墙，当高压水枪对着墙面时，会被反弹回来一样。



那么磁珠的滤波原理是怎么样的呢？为了研究这个问题，我们最好是能像研究电感和电容一样，知道磁珠在高频的表达式，或者是等效电路。

磁珠的等效电路

磁珠的等效电路如下图所示：



其中等效是直流电阻，是一个恒定值，为寄生电容，为磁珠相关联的交流电阻(交流磁芯损耗)，为磁珠的线圈感抗。根据上述等效电路，磁珠的表达式为：



可以看出磁珠的阻抗Z是频率的函数，在不同的频率段阻抗存在变化。将带有频率部分简化为电抗X，则磁珠的表达式为：



将上述表达式绘制成曲线，就是磁珠数据手册中的曲线。



从上述的曲线可以看出，磁珠阻抗为了三个区域，低频段电感占主导，呈现电感的特性；中间段电阻占主导，呈现电阻的特性；高频段电容占主导，呈现电容的特性。Z表示阻抗整体，R表示阻抗的电阻成分、X表示电抗成分。也可以看成是，Z表示综合的静噪性能、R表示通过磁损耗吸收噪声的性能、X表示通过阻抗成分使噪声反弹的性能。

还有一种磁珠的等效模型，等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化，相比较而言，磁珠比普通的电感有更好的高频滤波特性，在高频时呈现阻性，并且能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗，从而有很好的起到吸收噪声的效果。



在这种模型等效下，更容易理解磁珠，在低频的时候，磁珠等效为电感，此时的交流电阻很低，而在高频的时候，磁珠等效为电阻。如下图所示。

 

使用这种等效模型分析原理基本一致，不做更多的赘述。

磁珠滤波原理

磁珠用在信号线上滤波，主要是用它中间段的特性，即呈现电阻性。当噪声通过磁珠时，会在电阻上产生热量，能量电信号转换成了热能量。如下图所示。



当然，如果信号经过电阻就能产生热量，根据焦耳热的公式：



在一定的时间内要产生足够的热量，要么是电流大，或者是电阻大才能满足条件。

而磁珠一般用在电源线上或者信号线上，对于信号线上的噪声，电流可能是mA甚至是级别，因此这么小的电流通过磁珠就能转换成热量，只能说明此时磁珠表现为一个高电阻值的器件。

结合TDK磁珠MMZ2012S102A阻抗曲线可以看出，阻抗在100MHz的信号频率下为1100Ω，和上面分析消除噪声是利用高阻抗的原理吻合。



既然是高阻值就能消除噪声，为什么不直接在信号上放MΩ级别的电阻呢？显然不行，因为在信号线或者电源线上，如果是直流信号，使用一个MΩ级别的电阻，大部分压降都在电阻上消耗了，完全不符合设计的初衷。

但是磁珠不会，因为磁珠在低频段阻抗很小，只是在高频段才能呈现高阻抗，而噪声信号一般都在几十MHz~几百MHz以上，刚好磁珠阻抗在这个频段高，因此能消除噪声。

根据上面的分析，可以将磁珠的工作原理用下面的模型进行等效。

（1）当信号频率较低时（30M以内），磁珠的等效模型如下



此时磁珠表征出的特性如曲线红色区间所示。



（2）当信号频率上升后（30M~1000M），磁珠的等效模型如下



此时磁珠表征出的特性如曲线黄色区间所示。



（3）当信号频率非常高时（1000M以上），磁珠的等效模型如下



此时磁珠表征出的特性如曲线绿色区间所示。



4.磁珠滤波电路举例

根据上面的分析，磁珠主要用在电源和信号线上。起到的作用主要是滤波和降低EMI。

信号线上用磁珠

信号线上使用磁珠一般存在两种情况，普通的数字信号和射频GHz的信号，下图是一个LCD驱动的原理框图，U1为单片机，U2为电平转换芯片，U3是显示驱动模块。磁珠排放置在并口的数据线上，其目的是为了消除高速数字信号在传输时产生的高次谐波，避免干扰辐射到显示屏上，导致图像出现雪花点或者图像闪屏的现象。



如果在信号线上有尖峰噪声，使用磁珠可以吸收掉高频的毛刺，对原始信号进行了滤波。左图为带有噪声的信号，右图是经过磁珠后的输出信号。

电源线上用磁珠

在电源线上使用磁珠，较多的是将电源进行隔离，比图下图中VDD是数字电源，AVDD模拟电源，在数字电源和模拟电源中间增加磁珠，可以达到更好的滤波效果。





此时磁珠的选型如下



另外一种使用方法是在芯片输入端增加磁珠，如下图所示：这种使用方法是想将外部电源上的噪声进行滤除，防止进入后级的电路中。



在这种使用方法中，需要注意两点，磁珠的选型通流能力需要满足负载在电流的需求，另外在磁珠后面需要增加去耦电容。

EMC上用磁珠

无论在信号上还是在电源线上使用磁珠，其本质目的都是消除高频噪声，而高频噪声对外的辐射发射超标是EMC常见的问题，特别是在时钟信号线上，因此，在设计晶振电路时，会在电源线上增加磁珠，防止晶振电路的干扰串到系统的电源中。



因此，EMC上使用磁珠更多的是结果，而不是原因。

在我们笔记本电源线上也使用磁珠，为了防止传导辐射。

再比如在USB线上增加磁环，用于消除辐射干扰。

下面是在带宽为30~350M信号线上增加磁珠和不增加磁珠测试到的辐射频谱，结果显示在30~350M频段上磁珠将所有的峰值噪声都进行了消除，因此，这个磁珠用在低频段比较合适，而在高于350M以上的带宽显然这个磁珠无法起到作用。



5.问题讨论

现设计的晶振电源滤波电路如下，VCC为系统主电源3.3V，磁珠FB的该如何选型？选型时需要注意什么？PCB布局有什么讲究？欢迎大家留言讨论！  

审核编辑：刘清