磁珠-笔记

都是网上找到的文章，顺便记录下来

一、 摘要

很多工程师以为，磁珠主要用于抑制干扰，因此，在很多场合，有无必要都把磁珠加上去。本文就简述滥用磁珠的后果。

二、 问题描述

本案例是一个控制器电源的案例，控制器采用了AC24V输入，输出DC5V/2A和DC18V/300mA。实测5V的纹波为50mV，18V输出的纹波为900mV。5V输出纹波合格，18mV输出纹波严重超出公司要求的3%以内，达到了5%。 

 　　　　图1；控制器电源电路 

　　　　　　　　　　　　图2； 18V 电源输出纹波

三、 原因分析

经过我们仔细的排查分析，纹波超标的原因是出在磁珠身上。设计之初主要考虑18V给运放供电，增加磁珠可以抑制高频干扰，却忽略了磁珠的LC谐振问题。趁此案例，我们重温一下磁珠几个容易被忽略的概念。

1. 磁珠的工作区

铁氧体磁珠可依据三个响应区域分类：感性、阻性和容性。查看ZRX曲线便可确定这些区域，其中Z表示阻抗、R表示电阻、X表示磁珠的电抗。磁珠是利用高频下干扰信通过阻抗发热转换为热量散发出去，为了降低高频噪声，磁珠必须处于阻性区域内。在交越频率（X=R）以下相对较低的频率处，磁珠的响应是感性的。在高频率处，磁珠的响应是容性的。因此，选择磁珠时，应根据干扰信号的频率，选择干扰频率落在磁珠的电阻区内，下图中的灰色部分频率。其中X曲线回到0并不是表示阻值为0，而是阻值为负数。

 　　　　　　　　　　　　　　　　图3；磁珠的三个工作区间

2. LC 谐振的影响

由于磁珠的电感特性，和电容组合引用的时候会产生LC谐振的影响。此时LC电路没有起到滤波的效果，反而放大波纹和噪声，而不是衰减它。由铁氧体磁珠电感和高Q去耦电容组成的低通滤波网络的谐振频率低于磁珠的交叉频率时出现峰值，产生的滤波器是欠阻尼的。以TDK MPZ1608S101A测得的阻抗与频率图。电阻元件依赖于耗散多余的能量，直到达到约20 MHz至30 MHz范围才变得重要。在这个频率以下，铁氧体珠仍然有一个非常高的Q值，并像一个理想的电感器。典型的磁珠滤波器的LC谐振频率通常在0.1MHz到10 MHz范围内。对于典型的开关频率300 kHz至5 MHz范围内，需要额外的阻尼来降低滤波器Q。

　　　　　　　　　　　　　　　　图4；磁珠的谐振

磁珠的谐振效应，主要还是由于低频是处于电感区，有比较高的Q值，整个系统处于欠阻尼状态，因此，可以通过增加电容的串联电阻解决，如下图中的R1，R1也可以是电解电容的等效ESR。

 　　　　　　　　　　　　　　图5；磁珠的谐振优化

3. 磁珠的直流重叠效应

我们都知道在电容上加不同的直流电压，电容容量是会变化的，磁珠也有同样的直流重叠特性，片状铁氧体磁珠是一种使用铁氧体的电感器。因此，当大电流通过时，需要特别注意由于磁饱和所造成的性能改变。下图是村田某款规格为60欧/@100mHZ/1A的磁珠的直流重叠图，厂商给出的规格是电流为0时的阻抗，当达到额定电流1A时，在100MHZ 阻抗由60欧降低到6Ω左右，降低了90%。因此，为了得到较高的阻抗，磁珠的额定电流最好不要超过20%，此时阻抗的下降在30%左右。

 　　　　　　　　　　　　　　图5；电流对磁珠阻抗的影响

4. 磁珠的场景

磁珠的应用场景主要有两种，一种是数据线上，另一种是电源线上，如下图，都是标称100M/120Ω的磁珠，蓝色磁珠更适合做电源应用，因为电源的开关频率基本是几百K到几M，在低频时需要更高的阻抗抵御干扰；而绿色的磁珠更适合在数据线应用，抵御特定频率的干扰，同时在较低频率时阻抗较低，对信号的影响更低。

　　　　　　　　　　图6；磁珠的两种应用场景

四、 解决方案

经过分析，增加磁珠以后纹波更大的原因时磁珠和后级的电容构成了谐振，系统处于欠阻尼的状态，解决方法就是在磁珠的后级增加电解电容，利用电解电容高ESR的特点，充当阻尼电阻，降低系统的Q值。

磁珠的应用场景主要有两种，一种是数据线上，另一种是电源线上，如下图，都是标称100M/120Ω的磁

  　　　　　　　　图7；增加阻尼电阻防止磁珠谐振

五、 总结

经过上述的分析，我们总结磁珠选型的几个准则：

1. 确定应用场景；

先确认磁珠的应用场景，如果是电源应用，则选择矮胖型，如果时信号应用场景，则选择瘦高型。

2. 确定额定电流

磁珠的额定电流就是磁珠的最大工作电流，在此电流下工作，磁珠的阻抗会下降90%以上，因此，电路 的最大工作工作电流最好不要超过磁珠额定电流的20%，此时的阻抗下降在30%左右，影响不大。

3. 防止系统谐振

磁珠在较低频率时呈现的时电感特性，有很高的Q值，与电容配套使用时一般时处于欠阻尼状态，有可能会导致系统谐振，不但无法抵御干扰，甚至会将干扰放大，因此需要加入电阻防止系统谐振。

4. 防止对信号的影响

在信号应用场景，使用磁珠都希望是一个窄带的低通滤波器，实际上阻抗越大的磁珠，在信号频段的阻抗也越大，因此在较高速度的信号应用，例如时钟/高速数据线等，需要防止磁珠的阻抗对信号的衰减

在低频段，阻抗由电感的感抗构成，低频时R很小，磁芯的磁导率较高，因此电感量较大，L起主要作用，电磁干扰被反射而受到抑制，并且这时磁芯的损耗较小，整个器件是一个低损耗、高Q特性的电感，这种电感容易造成谐振因此在低频段，有时可能出现使用铁氧体磁珠后干扰增强的现象。

在高频段，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。

电感的Q，品质因数概念

电感Q值：也叫电感的品质因数，是衡量电感器件的主要参数。是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的Q值越高，其损耗越小，效率越高。但并不是越高越好，在电源滤波应用中，过高的Q，容易产生谐振（振荡）

公式：

品质因数又可写成Q=2pi*电路中存储的能量/电路一个周期内消耗的能量

通频带BW与谐振频率w0和品质因数Q的关系为：BW=wo/Q,表明，Q大则通频带窄，Q小则通频带宽。

Q=WL/R=1/gwl ^[1] 

其中:

Q是品质因素

ω是电路谐振时的电源频率

L是电感

R是串的电阻  ，品质因数Q与电阻成反比，增大电阻，减小品质因素Q

g是电导

Q值是品质因素，它是有功功率与总功功率之比

作用：

Q值过大，引起电感烧毁，电容击穿，电路振荡。

Q很大时，将有VL=VC>>V的现象出现。这种现象在电力系统中，往往导致电感器的绝缘和电容器中的电介质被击穿，造成损失。所以在电力系统中应该避免出现谐振现象。而在一些无线电设备中，却常利用谐振的特性,提高微弱信号的幅值。

影响因素

电感器品质因数的高低与线圈导线的直流电阻、线圈骨架的介质损耗及铁心、屏蔽罩等引起的损耗等有关。

也有人把电感的Q值特意降低的，目的是避免高频谐振/增益过大。降低Q值的办法可以是增加绕组的电阻或使用功耗比较大的磁芯.

Q值一般统称品质因数，它是衡量一个元件或谐振回路性能的一个无量纲单位。简单地说是理想元件与元件中存在的损耗的比值。这个元件可以是电感、电容、介质谐振器、声表面波谐振器、晶体谐振器或LC谐振器。Q值的大小取决于实际应用，并不是越大越好。例如，如果设计一个宽带滤波器，过高的Q值如果不采取其他措施，将使带内平坦度变坏。在电源退耦电路中采用LC退耦应用时高Q值的电感和电容极容易产生自谐振状态，这样反倒不利于消除电源中的干扰噪声。反过来，对于振荡器我们希望有较高的Q值，Q值越高对振荡器的频率稳定度和相位噪声越有利。对不同的应用对Q值有不同的要求。

元件工艺

元件的品质因数，即Q值的大小取决于元件的制作工艺、制作材料以及应用环境。例如，同样一个电感，如果其他参数不变，仅改变绕制电感导线的粗细，则导线粗的电感Q值要比导线细的电感Q值高。如果再在导线上镀银，则镀银导线所绕制的电感要比不镀银导线绕制的电感Q值高。至于介质谐振器其Q值更是取决于构成介质谐振器材料和制作工艺。

工作频率

Q值的大小还与工作频率有关。一般的电感随着频率的变高其Q值也会增高。但它有一个极限，当超过这个极限频率点后电感的Q值要陡然下降，这个电感就失去了电感的作用。在这点上介质谐振器、声表面波谐振器和晶体谐振器更为明显。当工作频率偏离他们的谐振频率后，其Q值将急剧下降，同时他们也将不能工作。

谐振频率

品质因数描述了回路的储能与它一周耗能之比。

因为同频带与品质因数之积为回路的谐振频率。所以，在保证谐振点的情况下品质因数与通频带的宽窄是一对矛盾。所以不能说品质因数越高越好，还要看对频带的要求的

Q值越大，谐振的通频带就越窄，也就是包含的频率范围更窄，如果需要宽一点的通频带，Q值越小越好。

在选频电路（选用某一频率）、阻波电路（阻止某一频率）、吸收电路（衰减某一频率）、陷波电路（去掉某一频率）中都是利用或者去掉某一个频率f，此时Q值越大越好，这是利用谐振电路在谐振时的频率f，当LC并联谐振电路发生谐振时，电路阻抗最大，相当于断路，使频率为f的频率信号不能通过，达到阻止此信号的目的。当LC串联谐振电路发生谐振时，阻抗最小，相当与短路，此时频率为f的频率很容易通过，而其它的信号频率被阻止，就能达到选频的目的。