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電感和磁珠的區別及應用場合和作用

2011年04月06日 09:37:24人氣:2769來源:中山市南朗鎮五環電子廠

電感和磁珠的區別及應用場合和作用 中山市五環電子廠

磁珠由氧磁體組成,電感由磁心和線圈組成,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。
磁珠對高頻信號才有較大阻礙作用,一般規格有100/100mMHZ ,它在低頻時電阻比電感小得多。電感的等效電阻可有Z=2X3.14xf 來求得。
鐵氧體磁珠 (Ferrite Bead) 是目前應用發展很快的一種抗干擾元件,廉價、易用,濾除高頻噪聲*。
在電路中只要導線穿過它即可(我用的都是象普通電阻模樣的,導線已穿過并膠合,也有表面貼裝的形式,但很少見到賣的)。當導線中電流穿過時,鐵氧體對低頻電流幾乎沒有什么阻抗,而對較高頻率的電流會產生較大衰減作用。高頻電流在其中以熱量形式散發,其等效電路為一個電感和一個電阻串聯,兩個元件的值都與磁珠的長度成比例。
磁珠種類很多,制造商應提供技術指標說明,特別是磁珠的阻抗與頻率關系的曲線。
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制噪聲能力不可能如預期的多,而用多串聯幾個磁珠的辦法會好些。
鐵氧體是磁性材料,會因通過電流過大而產生磁飽和,導磁率急劇下降。大電流濾波應采用結構上專門設計的磁珠,還要注意其散熱措施。
鐵氧體磁珠不僅可用于電源電路中濾除高頻噪聲(可用于直流和交流輸出),還可廣泛應用于其他電路,其體積可以做得很小。特別是在數字電路中,由于脈沖信號含有頻率很高的高次諧波,也是電路高頻輻射的主要根源,所以可在這種場合發揮磁珠的作用。
鐵氧體磁珠還廣泛應用于信號電纜的噪聲濾除。
以常用于電源濾波的HH-1H3216-500為例,其型號各字段含義依次為:
HH
是其一個系列,主要用于電源濾波,用于信號線是HB系列;
1
表示一個元件封裝了一個磁珠,若為4則是并排封裝四個的;
H
表示組成物質,HCM為中頻應用(50200MHz),
T
低頻應用(<50MHz),S高頻應用(>200MHz);
3216
封裝尺寸,長3.2mm,寬1.6mm,即1206封裝;
500
阻抗(一般為100MHz時),50 ohm
其產品參數主要有三項:
阻抗[Z]@100MHz (ohm) : Typical 50, Minimum 37;
直流電阻DC Resistance (m ohm): Maximum 20;
額定電流Rated Current (mA): 2500.
磁珠有很高的電阻率和磁導率,他等效于電阻和電感串聯,但電阻值和電感值都隨頻率變化。他比普通的電感有更好的高頻濾波特性,在高頻時呈現阻性,所以能在相當寬的頻率范圍內保持較高的阻抗,從而提高調頻濾波效果。
磁珠主要用于高頻隔離,抑制差模噪聲等。

--磁珠在開關電源上的主要作用
1
鐵氧體電磁干擾抑制元件
  鐵氧體是一種立方晶格結構的亞鐵磁性材料。它的制造工藝和機械性能與陶瓷相似,顏色為灰黑色。電磁干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于電磁干擾抑制的鐵氧體材料。這種材料的特點是高頻損耗非常大。對于抑制電磁干擾用的鐵氧體,zui重要的性能參數為磁導率μ和飽和磁通密度Bs。磁導率μ可以表示為復數,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,LR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*不同的。
  在低頻段,阻抗由電感的感抗構成,低頻時R很小,磁芯的磁導率較高,因此電感量較大,L起主要作用,電磁干擾被反射而受到抑制;并且這時磁芯的損耗較小,整個器件是一個低損耗、高Q特性的電感,這種電感容易造成諧振因此在低頻段,有時可能出現使用鐵氧體磁珠后干擾增強的現象。
  在高頻段,阻抗由電阻成分構成,隨著頻率升高,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,電磁干擾被吸收并轉換成熱能的形式耗散掉。
  鐵氧體抑制元件廣泛應用于印制電路板、電源線和數據線上。如在印制板的電源線入口端加上鐵氧體抑制元件,就可以濾除高頻干擾。鐵氧體磁環或磁珠于抑制信號線、電源線上的高頻干擾和尖峰干擾,它也具有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。
  2 磁珠的原理和特性
  當電流流過其中心孔中的導線時,便會是磁珠內部產生循環流動的磁道。用于EMI控制的鐵氧體配制時,應當可以把大部分磁通作為材料中的熱散掉。這個現象可以由一個電感器和一個電阻器的串聯組合來模擬。如圖2所示
  兩個元件的數值大小與磁珠的長度成正比,而且磁珠的長度對抑制效果有明顯影響,磁珠長度越長抑制效果越好。由于信號能量呈磁耦合加到磁珠上,故電感器的電抗與電阻的大小隨頻率的升高而增大。磁耦合的效率取決于磁珠材料相對于空氣的導磁率。通常組成磁珠的鐵氧體材料的損耗可以通過其相對于空氣的導磁率,表示成一個復數量。
  磁性材料常常用由此比值表征出損耗角。用于EMI抑制元件要求較大的損耗角,這意味著大部分干擾都將被耗散而不被反射。目前出現的各種各樣的可用鐵氧體材料,為設計人員將磁珠用于不同場合提供了很大的選擇余地。
  3磁珠的應用
  3.1 尖峰抑制器
  開關電源zui大的缺點就是容易產生噪聲和干擾,這是長期困擾開關電源的一個關鍵的技術問題。開關電源的噪聲主要是由開關功率管和開關整流二級管快速變化的高壓切換和脈沖短路電流所引起。因此采用有效元件把它們限制到zui小程度是抑制噪聲的主要方法之一。通常采用非線性飽和電感來抑制反向恢復電流尖峰,此時鐵芯的工作狀態是從-Bs +Bs。根據在開關電源續流二極管上的高磁導率與可飽和性的超小型電感元件磁珠特性的一致性,開發出用來抑制開關電源開關時產生的峰值電流的尖峰抑制器。
  尖峰抑制器的性能特點:
  (1初始和zui大電感值很高,飽和后殘余電感值非線性極不明顯。串聯接入回路后,電流升高瞬間顯示出高阻抗,可以作為所謂的瞬間阻抗元件使用。
  (2適用于防止半導體回路中瞬態電流峰值信號、沖擊激勵電路和由此而伴生的噪聲,還可以防止半導體損壞。
  (3剩余電感極小,電路穩定時損耗很小。
  (4與鐵氧體制品的性能絕然不同。
  (5只要避免磁飽和,可作為超小型、高電感的電感元件使用。
  (6可以作為低損耗的高性能可飽和鐵芯用于控制和產生振蕩。
  尖峰抑制器要求鐵芯材料具有較高的磁導率,以得到較大的電感量;高矩形比可使鐵芯飽和時,電感量應迅速下降到零;矯頑力小、高頻損耗低, 否則鐵芯放熱不能正常工作。
  尖峰抑制器用途主要表現在減小電流尖峰信號;降低由于電流峰值信號引起的噪聲;防止開關晶體管的損壞;減低開關晶體管的開關損耗;補償二極管的恢復特性;防止高頻脈沖電流沖擊激勵。作為超小型的線路濾波器使用等方面。
  3.2在濾波器中的應用
  a)不加磁珠測試結果
  b)加磁珠測試結果
  c)L線加磁珠測試結果
  d) N線加磁珠測試結果
  普通濾波器是由無損耗的電抗元件構成的,它在線路中的作用是將阻帶頻率反射回信號源,所以這類濾波器又叫反射濾波器。當反射濾波器與信號源阻抗不匹配時,就會有一部分能量被反射回信號源,造成干擾電平的增強。為解決這一弊病,可在濾波器的進線上使用鐵氧體磁環或磁珠套,利用滋環或磁珠對高頻信號的渦流損耗,把高頻成分轉化為熱損耗。因此磁環和磁珠實際上對高頻成分起吸收作用,所以有時也稱之為吸收濾波器。
  不同的鐵氧體抑制元件,有不同的*抑制頻率范圍。通常磁導率越高,抑制的頻率就越低。此外,鐵氧體的體積越大,抑制效果越好。在體積一定時,長而細的形狀比短而粗的抑制效果好,內徑越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情況下,還存在鐵氧體飽和的問題,抑制元件橫截面越大,越不易飽和,可承受的偏流越大。
  基于以上磁珠原理和特性,應用在開關電源的濾波器中,收效明顯。從測試結果便可看到應用磁珠的明顯不同。由實驗結果看到,由于開關電源電路、結構布局、功率的影響,有時對差模干擾有很好的抑制作用,有時對共模干擾有很好的抑制作用,有時對干擾起不到抑制作用反而會增加噪聲干擾。
  EMI吸收磁環/磁珠抑制差模干擾時,通過它的電流值正比于其體積,兩者失調造成飽和,降低了元件性能;抑制共模干擾時,將電源的兩根線(正負)同時穿過一個磁環,有效信號為差模信號,EMI吸收磁環/磁珠對其沒有任何影響,而對于共模信號則會表現出較大的電感量。磁環的使用中還有一個較好的方法是讓穿過的磁環的導線反復繞幾下,以增加電感量。可以根據它對電磁干擾的抑制原理,合理使用它的抑制作用。
  鐵氧體抑制元件應當安裝在靠近干擾源的地方。對于輸入/輸出電路,應盡量靠近屏蔽殼的進、出口處。對鐵氧體磁環和磁珠構成的吸收濾波器,除了應選用高磁導率的有耗材料外,還要注意它的應用場合。它們在線路中對高頻成分所呈現的電阻大約是十至幾百Ω,因此它在高阻抗電路中的作用并不明顯,相反,在低阻抗電路(如功率分配、電源或射頻電路)中使用將非常有效。

電感和磁珠的選型

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,以下就這兩種器件的特點進行描述并分析他們的普通應用場合以及特殊應用場合。表面貼裝元件的好處在于小的封裝尺寸和能夠滿足實際空間的要求。除了阻抗值,載流能力以及其他類似物理特性不同外,通孔接插件和表面貼裝器件的其他性能特點基本相同。

片式電感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,時鐘電路,脈沖電路,波形發生電路等等。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于電路中。在電感的兩端存在寄生電容,這是由于器件兩個電極之間的鐵氧體本體相當于電容介質而產生的。在諧振電路中,電感必須具有高Q,窄的電感偏差,穩定的溫度系數,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。穩定的溫度系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于封裝不一樣。電感結構包括介質材料(通常為氧化鋁陶瓷材料)上繞制線圈,或者空心線圈以及鐵磁性材料上繞制線圈。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,額定電流,和低Q值。當作為濾波器使用時,希望寬帶寬特性,因此,并不需要電感的高Q特性。低的DCR可以保證zui小的電壓降,DCR定義為元件在沒有交流信號下的直流電阻。

片式磁珠片式磁珠的功能主要是消除存在于傳輸線結構(PCB電路)中的RF噪聲,RF能量是疊加在直流傳輸電平上的交流正弦波成分,直流成分是需要的有用信號,而射頻RF能量卻是無用的電磁干擾沿著線路傳輸和輻射(EMI)。要消除這些不需要的信號能量,使用片式磁珠扮演高頻電阻的角色(衰減器),該器件允許直流信號通過,而濾除交流信號。通常高頻信號為30MHz以上,然而,低頻信號也會受到片式磁珠的影響。

片式磁珠由軟磁鐵氧體材料組成,構成高體積電阻率的獨石結構。渦流損耗同鐵氧體材料的電阻率成反比。渦流損耗隨信號頻率的平方成正比。

使用片式磁珠的好處:小型化和輕量化在射頻噪聲頻率范圍內具有高阻抗,消除傳輸線中的電磁干擾。閉合磁路結構,更好地消除信號的串繞。*的磁屏蔽結構。降低直流電阻,以免對有用信號產生過大的衰減。顯著的高頻特性和阻抗特性(更好的消除RF能量)。在高頻放大電路中消除寄生振蕩。有效的工作在幾個MHz到幾百MHz的頻率范圍內。

要正確的選擇磁珠,必須注意以下幾點:
不需要的信號的頻率范圍為多少。噪聲源是誰。需要多大的噪聲衰減。環境條件是什么(溫度,直流電壓,結構強度)。電路和負載阻抗是多少。是否有空間在PCB板上放置磁珠。前三條通過觀察廠家提供的阻抗頻率曲線就可以判斷。在阻抗曲線中三條曲線都非常重要,即電阻,感抗和總阻抗。總阻抗通過ZR22πfL()2+:=fL來描述。
 
典型的阻抗曲線如下圖所示:

通過這一曲線,選擇在希望衰減噪聲的頻率范圍內具有zui大阻抗而在低頻和直流下信號衰減盡量小的磁珠型號。片式磁珠在過大的直流電壓下,阻抗特性會受到影響,另外,如果工作溫升過高,或者外部磁場過大,磁珠的阻抗都會受到不利的影響。

使用片式磁珠和片式電感的原因:是使用片式磁珠還是片式電感主要還在于應用。在諧振電路中需要使用片式電感。而需要消除不需要的EMI噪聲時,使用片式磁珠是*的選擇。

片式磁珠和片式電感的應用場合:片式電感:射頻(RF)和無線通訊,信息技術設備,雷達檢波器,汽車電子,蜂窩,尋呼機,音頻設備,PDAs(個人數字助理),無線遙控系統以及低壓供電模塊等。片式磁珠:時鐘發生電路,模擬電路和數字電路之間的濾波,I/O輸入/輸出內部連接器(比如串口,并口,鍵盤,鼠標,長途電信,本地局域網),射頻(RF)電路和易受干擾的邏輯設備之間,供電電路中濾除高頻傳導干擾,計算機,打印機,錄像機(VCRS,電視系統和手提中的EMI噪聲抑止。

電感和磁珠的什么與區別

1.      磁珠主要用于高頻隔離,抑制差模噪聲等。
2.      電感是儲能組件,而磁珠是能量轉換(消耗)器件
電感多用于電源濾波回路,磁珠多用于信號回路,用于EMC對策磁珠主要用于抑制電磁輻射干擾,而電感用于這方面則側重于抑制傳導性干擾。兩者都可用于處理EMCEMI問題。磁珠是用來吸收超高頻信號,象一些RF電路,PLL,振蕩電路,含超高頻存儲器電路(DDR SDRAMRAMBUS等)都需要在電源輸入部分加磁珠,而電感是一種蓄能組件,用在LC振蕩電路,中低頻的濾波電路等,其應用頻率范圍很少超過錯50MHZ。地的連接一般用電感,電源的連接也用電感,而對信號線則采用磁珠。
3.       詳細論述:
在電子設備的PCB板電路中會大量使用感性組件和EMI濾波器組件。這些組件包括片式電感和片式磁珠,以下就這兩種器述并分析他們的普通應用場合以及特殊應用場合。表面貼裝組件的好處在于小的封裝尺寸和能夠滿足實際空間的要求。除力以及其它類似物理特性不同外,通孔接插件和表面貼裝器件的其它性能特點基本相同。
1.      片式電感:在需要使用片式電感的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,時鐘電路,脈沖電路,波形發生電路還包括高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于電路中。在電感的兩端存在寄生電容,這是由于電極之間的鐵氧體本體相當于電容介質而產生的。在諧振電路中,電感必須具有高Q,窄的電感偏差,穩定的溫度系數,才能達到諧振電路窄帶,低的頻率溫度漂移的要求。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。穩定的溫度系數保證諧振電路穩定的溫度變化特性。
        電感構造: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于封裝不一樣。電感結構包括介質材料(一般為氧化鋁陶瓷材料)上繞制線圈,或者空心線圈以及鐵磁性材料上繞制線圈。  
        應用:
l        在功率應用場合,作為扼流圈使用時,電感的主要關注參數是直流電阻(DCR,額定電流,和低Q值。
l        當作為濾波器使用時,希望寬帶寬特性,因此,并不需要電感的高Q特性。低的DCR可以保證zui小的電壓降。
l        DCR定義為組件在沒有交流信號下的直流電阻。
 
2.      片式磁珠:片式磁珠的功能主要是消除存在于傳輸線結構(PCB電路)中的RF噪聲,RF能量是疊加在直流傳輸電平上的交流正弦波成分,直流成分是需要的有用信號,而射頻RF能量卻是無用的電磁干擾沿著線路傳輸和輻射,這些不需要的信號能量,使用片式磁珠扮演高頻電阻的角色(衰減器),該器件允許直流信號通過,而濾除交流信號。通常高頻信號為30Mhz以上,然而,低頻信號也會受到片式磁珠的影響。
        磁珠構造:片式磁珠由軟磁鐵氧體材料組成,構成高體積電阻率的獨石結構。渦流損耗同鐵氧體材料的電阻率成反比。渦流損耗隨信號頻率的平方成正比。使用片式磁珠的好處:小型化和輕量化在射頻噪聲頻率范圍內具有高阻抗,消除傳輸線中的電磁干擾。閉合磁路結構,更好的消除信號的串繞。*的磁屏蔽結構。降低直流電阻,以免對有用信號產生過大的衰減。顯著的高頻特性和阻抗特性(更好的消除RF能量)。在高頻放大電路中消除寄生振蕩。有效的工作在幾個MHz到幾百MHz的頻率范圍內。
         要正確的選擇磁珠,必須注意以下幾點:
1)      不需要的信號的頻率范圍為多少。噪聲源是誰。需要多大的噪聲衰減。環境條件是什么(溫度,直流電壓,結構強度)。
2)      電路和負載阻抗是多少。
3)      是否有空間在PCB板上放置磁珠。
前三條通過觀察廠家提供的阻抗頻率曲線就可以判斷。在阻抗曲線中三條曲線都非常重要。
總阻抗:總阻抗通過Z=R+2πfL來描述。典型的阻抗曲線如下圖所示:
通過這一曲線,選擇在希望衰減噪聲的頻率范圍內具有zui大阻抗而在低頻和直流下信號衰減盡量小的磁珠型號。
片式磁珠在過大的直流電壓下,阻抗特性會受到影響,另外,如果工作溫升過高,或者外部磁場過大,磁珠的阻抗都會受到不利的影響。
使用片式磁珠還是片式電感主要還在于應用。在諧振電路中需要使用片式電感。而需要消除不需要的EMI噪聲時,使用片式磁珠是*的選擇。
        片式磁珠和片式電感的應用場合:
l        片式電感:射頻(RF)和無線通訊,信息技術設備,雷達檢波器,汽車電子,蜂窩,尋呼機,音頻設備,PDA(個人數字助理),無線遙控系統以及低壓供電模塊等。
l        片式磁珠:時鐘發生電路,模擬電路和數字電路之間的濾波,I/O輸入/輸出內部連接器(比如串口,并口,鍵盤,鼠標,長途電信,本地局域網),射頻(RF)電路和易受干擾的邏輯設備之間,供電電路中濾除高頻傳導干擾,計算機,打印機,錄像機(VCRS,電視系統和手提中的EMI噪聲抑止。

 
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