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磁珠及其在開關電源中的應用
發布時間:2011-1-4

1 引言
  
  由於電磁兼容的迫切要求,電磁幹擾(EMI)抑製元件獲得了廣泛的應用。然而實際應用中的電磁兼容問題十分複雜,單單依靠理論知識是完全不夠的,它更依賴於廣大電子工程師的實際經驗。為了更好地解決電子產品的電磁兼容性這一問題,還要考慮接地、電路與PCB板設計、電纜設計、屏蔽設計等問題[1][2]。本文通過介紹磁珠的基本原理和特性來說明它在開關電源電磁兼容設計中的重要性與應用,以期為設計者在設計新產品時提供必要的參考。
  
  2 磁珠及其工作原理
  
  磁珠的主要原料為鐵氧體,鐵氧體是一種立方晶格結構的亞鐵磁性材料,鐵氧體材料為鐵鎂合金或鐵鎳合金,它的製造工藝和機械性能與陶瓷相似,顏色為灰黑色。電磁幹擾濾波器中經常使用的一類磁芯就是鐵氧體材料,許多廠商都提供專門用於電磁幹擾抑製的鐵氧體材料。這種材料的特點是高頻損耗非常大,具有很高的導磁率,它可以使電感的線圈繞組之間在高頻高阻的情況下產生的電容最小。鐵氧體材料通常應用於高頻情況,因為在低頻時它們主要呈現電感特性,使得損耗很小。在高頻情況下,它們主要呈現電抗特性並且隨頻率改變。實際應用中,鐵氧體材料是作為射頻電路的高 頻衰減器使用的。實際上,鐵氧體可以較好的等效於電阻以及電感的並聯,低頻下電阻被電感短路,高頻下電感阻抗變得相當高,以至於電流全部通過電阻。鐵氧體是一個消耗裝置,高頻能量在上麵轉化為熱能,這是由它的電阻特性決定的。
  
  對於抑製電磁幹擾用的鐵氧體,最重要的性能參數為磁導率和飽和磁通密度。磁導率可以表示為複數,實數部分構成電感,虛數部分代表損耗,隨著頻率的增加而增加。因此它的等效電路為由電感L和電阻R組成的串聯電路,如圖1所示,電感L和電阻R都是頻率的函數。當導線穿過這種鐵氧體磁芯時,所構成的電感阻抗在形式上是隨著頻率的升高而增加,但是在不同頻率時其機理是完全不同的。  在高頻段,阻抗主要由電阻成分構成,隨著頻率的升高,磁芯的磁導率降低,導致電感的電感量減小,感抗成分減小,但是,這時磁芯的損耗增加,電阻成分增加,導致總的阻抗增加,當高頻信號通過鐵氧體時,電磁幹擾被吸收並轉換成熱能的形式消耗掉。在低頻段,阻抗主要由電感的感抗構成,低頻時R很小,磁芯的磁導率較高,因此電感量較大,電感L起主要作用,電磁幹擾被反射而受到抑製,並且這時磁芯的損耗較小,整個器件是一個低損耗、高品質因素Q特性的電感,這種電感容易造成諧振,因此在低頻段時可能會出現使用鐵氧體磁珠後幹擾增強的現象[3]。
  
  磁珠種類很多,製造商會提供技術指標說明,特別是磁珠的阻抗與頻率關係的曲線。有的磁珠上有多個孔洞,用導線穿過可增加元件阻抗(穿過磁珠次數的平方),不過在高頻時所增加的抑製噪聲能力可能不如預期的多,可以采用多串聯幾個磁珠的辦法。
  
  值得注意的是,高頻噪聲的能量是通過鐵氧體磁矩與晶格的耦合而轉變為熱能散發出去的,並非將噪聲導入地或者阻擋回去,如旁路電容那樣。因而,在電路中安裝鐵氧體磁珠時,不需要為它設置接地點。這是鐵氧體磁珠的突出優點[4]。

3 磁珠和電感
  
  3.1 磁珠和電感的區別
  
  磁珠由氧磁體組成,電感由磁芯和線圈組成,磁珠把交流信號轉化為熱能,電感把交流存儲起來,緩慢的釋放出去,因此說電感是儲能元件,而磁珠是能量轉換(消耗)器件。電感多用於電源濾波回路,磁珠多用於信號回路,磁珠主要用於抑製電磁輻射幹擾,而電感用於這方麵則側重於抑製傳導性幹擾。兩者都可用於處理EMC、EMI問題。磁珠是用來吸收超高頻信號,例如一些RF電路、PLL、振蕩電路、含超高頻存儲器電路(DDR SDRAM,RAMBUS等)都需要在電源輸入部分加磁珠,而電感是一種蓄能元件,用在LC振蕩電路、中低頻的濾波電路等,其應用頻率範圍很少超過50MHZ。地的連接一般用電感,電源的連接也用電感,而對信號線則常采用磁珠。
  
  3.2 片式磁珠與片式電感
  
  3.2.1 片式電感
  
  在電子設備的PCB板電路中會大量使用感性元件和EMI濾波器元件,這些元件包括片式電感和片式磁珠。在需要使用片式電感的場合,要求電感實現以下兩個基本功能:電路諧振和扼流電抗。諧振電路包括諧振發生電路、振蕩電路、時鍾電路、脈衝電路、波形發生電路等。諧振電路還包括高Q帶通濾波器電路。要使電路產生諧振,必須有電容和電感同時存在於電路中。在電感的兩端存在寄生電容,這是由於器件兩個電極之間的鐵氧體本體相當於電容介質而產生的。在諧振電路中,電感必須具有高品質因素Q,窄的電感偏差,穩定的溫度係數,才能達到諧振電路窄帶,低的頻率溫度漂移的要求。高Q電路具有尖銳的諧振峰值。窄的電感偏置保證諧振頻率偏差盡量小。穩定的溫度係數保證諧振頻率具有穩定的溫度變化特性。標準的徑向引出電感和軸向引出電感以及片式電感的差異僅僅在於封裝不一樣。電感結構包括介質材料(通常為氧化鋁陶瓷材料)上繞製線圈,或者空心線圈以及鐵磁性材料上繞製線圈。在功率應用場合,作為扼流圈使用時,電感的主要參數是直流電阻(DCR,定義為元件在沒有交流信號下的直流電阻)、額定電流和低Q值。當作為濾波器使用時,希望寬的帶寬特性,因此並不需要電感的高Q特性,低的直流電阻(DCR)可以保證最小的電壓降。

 

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