电感(29)之铁氧体磁珠工作原理透彻详解

电感(29)之铁氧体磁珠⼯作原理透彻详解
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。
激光修复机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;wifi文件传输
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;
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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。
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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:
管式反应器其中,EPC表⽰并联寄⽣电容,L BEAD表⽰磁珠的电感成分,R AC为磁珠等效交流电阻(交流磁芯损耗),R DC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),R DC表⽰线圈的直流电阻(铜损),R AC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)
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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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标签:磁珠   电感   磁芯   阻抗   电感器
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