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直流电源电感和直流电源磁珠的区别与联系

2017-6-3 10:02:38      点击:

直流电源磁珠有很高的电阻率和磁导率,他等效于电阻和直流电源电感串联,但电阻值和直流电源电感值都随频率变化。 他比普通的直流电源电感有更好的高频滤波特性,在高频时呈现阻性,所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗,从而提高调频滤波效果。


作为直流电源滤波,可以使用直流电源电感。直流电源磁珠的直流电源电路设计符号就是直流电源电感但是型号上可以看出使用的是直流电源磁珠在直流电源电路设计功能上,直流电源磁珠和直流电源电感是原理相同的,只是频率特性不同罢了


直流电源磁珠由氧磁体组成,直流电源电感由磁心和线圈组成,直流电源磁珠把交流信号转化为热能,直流电源电感把交流存储起来,缓慢的释放出去。

磁珠


直流电源磁珠对高频信号才有较大阻碍作用,一般规格有100欧/100mMHZ ,它在低频时电阻比直流电源电感小得多。


铁氧体直流电源磁珠 (Ferrite Bead) 是目前应用发展很快的一种抗干扰组件,廉价、易用,滤除高频噪声效果显着。


在直流电源电路设计中只要导线穿过它即可(我用的都是象普通电阻模样的,导线已穿过并胶合,也有表面贴装的形式,但很少见到卖的)。当导线中电流穿过时,铁氧体对低频电流几乎没有什么阻抗,而对较高频率的电流会产生较大衰减作用。


高频电流在其中以热量形式散发,其等效直流电源电路设计为一个直流电源电感和一个电阻串联,两个组件的值都与直流电源磁珠的长度成比例。直流电源磁珠种类很多,制造商应提供技术指标说明,特别是直流电源磁珠的阻抗与频率关系的曲线。


有的直流电源磁珠上有多个孔洞,用导线穿过可增加组件阻抗(穿过直流电源磁珠次数的平方),不过在高频时所增加的抑制噪声能力不可能如预期的多,而用多串联几个直流电源磁珠的办法会好些。


铁氧体是磁性材料,会因通过电流过大而产生磁饱和,导磁率急剧下降。大电流滤波应采用结构上专门设计的直流电源磁珠,还要注意其散热措施。


铁氧体直流电源磁珠不仅可用于直流电源直流电源电路设计中滤除高频噪声(可用于直流和交流输出),还可广泛应用于其它直流电源电路设计,其体积可以做得很小。特别是在数字直流电源电路设计中,由于脉冲信号含有频率很高的高次谐波,也是直流电源电路设计高频辐射的主要根源,所以可在这种场合发挥直流电源磁珠的作用。


铁氧体直流电源磁珠还广泛应用于信号电缆的噪声滤除。


以常用于直流电源滤波的HH-1H3216-500为例,其型号各字段含义依次为:


HH 是其一个系列,主要用于直流电源滤波,用于信号线是HB系列;

1 表示一个组件封装了一个直流电源磁珠,若为4则是并排封装四个的;

H 表示组成物质,H、C、M为中频应用(50-200MHz),

T低频应用(50MHz),S高频应用(200MHz);

3216 封装尺寸,长3.2mm,宽1.6mm,即1206封装;

500 阻抗(一般为100MHz时),50 ohm。


其产品参数主要有三项:

阻抗[Z]@100MHz (ohm) : Typical 50, Minimum 37;

直流电阻DC Resistance (m ohm): Maximum 20;

额定电流Rated Current (mA): 2500.


直流电源磁珠的原理


直流电源磁珠的主要原料为铁氧体。铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。铁氧体材料为铁镁合金或铁镍合金,它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似,颜色为灰黑色。电磁干扰滤波器中经常使用的一类磁芯就是铁氧体材料,许多厂商都提供专门用于电磁干扰抑制的铁氧体材料。


这种材料的特点是高频损耗非常大,具有很高的导磁率,他可以是直流电源电感的线圈绕组之间在高频高阻的情况下产生的电容最小。对于抑制电磁干扰用的铁氧体,最重要的性能参数为磁导率μ和饱和磁通密度Bs。磁导率μ可以表示为复数,实数部分构成直流电源电感,虚数部分代表损耗,随着频率的增加而增加。


因此,它的等效直流电源电路设计为由直流电源电感L和电阻R组成的串联直流电源电路设计,L和R都是频率的函数。当导线穿过这种铁氧体磁芯时,所构成的直流电源电感阻抗在形式上是随着频率的升高而增加,但是在不同频率时其机理是完全不同的。


在低频段,阻抗由直流电源电感的感抗构成,低频时R很小,磁芯的磁导率较高,因此直流电源电感量较大,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特性的直流电源电感,这种直流电源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直流电源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,导致直流电源电感的直流电源电感量减小,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。


铁氧体抑制元件广泛应用于印制直流电源电路设计板、直流电源线和数据线上。如在印制板的直流电源线入口端加上铁氧体抑制元件,就可以滤除高频干扰。铁氧体磁环或直流电源磁珠专用于抑制信号线、直流电源线上的高频干扰和尖峰干扰,它也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。


两个元件的数值大小与直流电源磁珠的长度成正比,而且直流电源磁珠的长度对抑制效果有明显影响,直流电源磁珠长度越长抑制效果越好。


直流电源磁珠和直流电源电感的区别

电感


直流电源电感是储能元件,而直流电源磁珠是能量转换(消耗)器件。直流电源电感多用于直流电源滤波回路,侧重于抑止传导性干扰;直流电源磁珠多用于信号回路,主要用于EMI方面。直流电源磁珠用来吸收超高频信号,象一些RF直流电源电路设计,PLL,振荡直流电源电路设计,含超高频存储器直流电源电路设计(DDR,,RAMBUS等)都需要在直流电源输入部分加直流电源磁珠,而直流电源电感是一种储能元件,用在LC振荡直流电源电路设计、中低频的滤波直流电源电路设计等,其应用频率范围很少超过50MHz。


1.片式直流电源电感:在电子设备的板直流电源电路设计中会大量使用感性元件和EMI滤波器元件。这些元件包括片式直流电源电感和片式直流电源磁珠,以下就这两种器件的特点进行描述并分析他们的普通应用场合以及特殊应用场合。表面贴装元件的好处在于小的封装尺寸和能够满足实际空间的要求。


除了阻抗值,载流能力以及其他类似物理特性不同外,通孔接插件和表面贴装器件的其他性能特点基本相同。在需要使用片式直流电源电感的场合,要求直流电源电感实现以下两个基本功能:直流电源电路设计谐振和扼流电抗。谐振直流电源电路设计包括谐振发生直流电源电路设计,振荡直流电源电路设计,时钟直流电源电路设计,脉冲直流电源电路设计,波形发生直流电源电路设计等等。


谐振直流电源电路设计还包括高Q带通滤波器直流电源电路设计。要使直流电源电路设计产生谐振,必须有电容和直流电源电感同时存在于直流电源电路设计中。在直流电源电感的两端存在寄生电容,这是由于器件两个电极之间的铁氧体本体相当于电容介质而产生的。在谐振直流电源电路设计中,直流电源电感必须具有高Q,窄的直流电源电感偏差,稳定的温度系数,才能达到谐振直流电源电路设计窄带,低的频率温度漂移的要求。


高Q直流电源电路设计具有尖锐的谐振峰值。窄的直流电源电感偏置保证谐振频率偏差尽量小。稳定的温度系数保证谐振频率具有稳定的温度变化特性。标准的径向引出直流电源电感和轴向引出直流电源电感以及片式直流电源电感的差异仅仅在于封装不一样。


直流电源电感结构包括介质材料(通常为氧化铝陶瓷材料)上绕制线圈,或者空心线圈以及铁磁性材料上绕制线圈。在功率应用场合,作为扼流圈使用时,直流电源电感的主要参数是直流电阻(DCR),额定电流,和低Q值。当作为滤波器使用时,希望宽的带宽特性,因此,并不需要直流电源电感的高Q特性。低的DCR可以保证最小的电压降,DCR定义为元件在没有交流信号下的直流电阻。


2.片式直流电源磁珠:片式直流电源磁珠的功能主要是消除存在于传输线结构()中的RF噪声,RF能量是叠加在直流传输电平上的交流正弦波成分,直流成分是需要的有用信号,而射频RF能量却是无用的电磁干扰沿着线路传输和辐射(EMI)。


要消除这些不需要的信号能量,使用片式直流电源磁珠扮演高频电阻的角色(衰减器),该器件允许直流信号通过,而滤除交流信号。通常高频信号为30MHz以上,然而,低频信号也会受到片式直流电源磁珠的影响。


片式直流电源磁珠由软磁铁氧体材料组成,构成高体积电阻率的独石结构。涡流损耗同铁氧体材料的电阻率成反比。涡流损耗随信号频率的平方成正比。


使用片式直流电源磁珠的好处:


小型化和轻量化。在噪声频率范围内具有高阻抗,消除传输线中的电磁干扰。 闭合磁路结构,更好地消除信号的串绕。 极好的磁屏蔽结构。降低直流电阻,以免对有用信号产生过大的衰减。


显著的高频特性和阻抗特性(更好的消除能量)。在高频放大直流电源电路设计中消除寄生振荡。有效的工作在几个MHz到几百MHz的频率范围内。要正确的选择直流电源磁珠,


必须注意以下几点:


不需要的信号的频率范围为多少。 噪声源是谁。需要多大的噪声衰减。 环境条件是什么(温度,直流电压,结构强度)。


直流电源电路设计和负载阻抗是多少。是否有空间在PCB板上放置直流电源磁珠。前三条通过观察厂家提供的阻抗频率曲线就可以判断。在阻抗曲线中三条曲线都非常重要,即电阻,感抗和总阻抗。总阻抗通过ZR22πfL()2+:=fL来描述。典型的阻抗曲线可参见直流电源磁珠的DATASHEET。


通过这一曲线,选择在希望衰减噪声的频率范围内具有最大阻抗而在低频和直流下信号衰减尽量小的直流电源磁珠型号。 片式直流电源磁珠在过大的直流电压下,阻抗特性会受到影响,另外,如果工作温升过高,或者外部磁场过大,直流电源磁珠的阻抗都会受到不利的影响。


使用片式直流电源磁珠和片式直流电源电感的原因:是使用片式直流电源磁珠还是片式直流电源电感主要还在于应用。在谐振直流电源电路设计中需要使用片式直流电源电感。而需要消除不需要的EMI噪声时,使用片式直流电源磁珠是最佳的选择。


片式直流电源磁珠和片式直流电源电感的应用场合:


片式直流电源电感:射频(RF)和无线通讯,信息技术设备,雷达检波器,汽车电子,蜂窝电话,寻呼机,音频设备,PDAs(个人数字助理),无线遥控系统以及低压供电模块等。


片式直流电源磁珠:时钟发生直流电源电路设计,模拟直流电源电路设计和数字直流电源电路设计之间的滤波,I/O输入/输出内部连接器(比如串口,并口,键盘,鼠标,长途电信,本地局域网),射频(RF)直流电源电路设计和易受干扰的逻辑设备之间,供电直流电源电路设计中滤除高频传导干扰,计算机,打印机,录像机(VCRS),电视系统和手提电话中的EMI噪声抑止。


直流电源磁珠的选用


1. 直流电源磁珠的单位是欧姆,而不是亨特,这一点要特别注意。因为直流电源磁珠的单位是按照它在某一频率 产生的阻抗来标称的,阻抗的单位也是欧姆。直流电源磁珠的 DATASHEET上一般会提供频率和阻抗的特性曲线图,一般以100MHz为标准,比如1000R@100MHz,意思就是在100MHz频率的时候直流电源磁珠的阻抗相当于600欧姆。


2. 普通滤波器是由无损耗的电抗元件构成的,它在线路中的作用是将阻带频率反射回信号源,所以这类滤波器又叫反射滤波器。当反射滤波器与信号源阻抗不匹配时,就会有一部分能量被反射回信号源,造成干扰电平的增强。


为解决这一弊病,可在滤波器的进线上使用铁氧体磁环或直流电源磁珠套,利用滋环或直流电源磁珠对高频信号的涡流损耗,把高频成分转化为热损耗。因此磁环和直流电源磁珠实际上对高频成分起吸收作用,所以有时也称之为吸收滤波器。


不同的铁氧体抑制元件,有不同的最佳抑制频率范围。通常磁导率越高,抑制的频率就越低。此外,铁氧体的体积越大,抑制效果越好。在体积一定时,长而细的形状比短而粗的抑制效果好,内径越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情况下,还存在铁氧体饱和的问题,抑制元件横截面越大,越不易饱和,可承受的偏流越大。


EMI吸收磁环/直流电源磁珠抑制差模干扰时,通过它的电流值正比于其体积,两者失调造成饱和,降低了元件性能;抑制共模干扰时,将直流电源的两根线(正负)同时穿过一个磁环,有效信号为差模信号,EMI吸收磁环/直流电源磁珠对其没有任何影响,而对于共模信号则会表现出较大的直流电源电感量。


磁环的使用中还有一个较好的方法是让穿过的磁环的导线反复绕几下,以增加直流电源电感量。可以根据它对电磁干扰的抑制原理,合理使用它的抑制作用。


铁氧体抑制元件应当安装在靠近干扰源的地方。对于输入/输出直流电源电路设计,应尽量靠近屏蔽壳的进、出口处。对铁氧体磁环和直流电源磁珠构成的吸收滤波器,除了应选用高磁导率的有耗材料外,还要注意它的应用场合。


它们在线路中对高频成分所呈现的电阻大约是十至几百Ω,因此它在高阻抗直流电源电路设计中的作用并不明显,相反,在低阻抗直流电源电路设计(如功率分配、直流电源或射频直流电源电路设计)中使用将非常有效。


结论


由于铁氧体可以衰减较高频同时让较低频几乎无阻碍地通过,故在EMI控制中得到了广泛地应用。用于EMI吸收的磁环/直流电源磁珠可制成各种的形状,广泛应用于各种场合。如在PCB板上,可加在DC/DC模块、数据线、直流电源线等处。


它吸收所在线路上高频干扰信号,但却不会在系统中产生新的零极点,不会破坏系统的稳定性。它与直流电源滤波器配合使用,可很好的补充滤波器高频端性能的不足,改善系统中滤波特性。