電感(29)之鐵氧體磁珠工作原理透徹詳解


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鐵氧體磁珠(Ferrite Bead, FB)是一種利用電感原理制作而成的元器件,主要用於抑制信號或電源線的高頻噪聲和尖峰干擾,還具有吸收靜電脈沖的能力,是目前應用發展很快且廉價易用的一種抗干擾器件,它的原理圖符號通常與電感器是一樣的。

 

一根引線穿過鐵氧體磁芯就組成最簡單的磁珠,其基本結構如下圖所示:

 

 

可以說,每一位有經驗的電子工程師都曾經將電感與磁珠對比過,這也是深入理解磁珠的一種途徑(前提是你得先深入了解過電感,有了前面章節的鋪墊自然不在話下),這里我們也來入鄉隨俗看看網絡上的資料有哪些主流說法:

 

1、電感的單位是亨利,磁珠的單位是歐姆;

2、電感是儲能元件,磁珠是能量消耗器件;

3、電感多用於電源濾波回路,磁珠多用於信號回路及EMC對策;

4、磁珠主要用於抑制電磁輻射干擾,而電感則側重於抑制傳導性干擾;

5、磁珠由氧磁體組成,電感由磁芯和線圈組成;

6、磁珠是用來吸收超高頻信號,像一些RF電路、PLL、振盪電路、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振盪電路、中低頻的濾波電路等,其應用頻率范圍很少超過50MHZ

7、地與電源的連接一般用電感,而對信號線則采用磁珠。但實際上磁珠應該也能達到吸收高頻干擾的目的,而且電感在高頻諧振以后都不能再起電感的作用了;

8、磁珠在高頻段的阻抗由電阻成分構成,隨着頻率升高,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,電磁干擾被吸收並轉換成熱能的形式耗散掉;

9、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,隨着頻率的增加而增加。

 

對於大多數工程師來說,磁珠與電感的區別都來源於此,但是真正在應用的時候卻經常會有這樣的困惑:這個地方用磁珠還是電感呢?好像兩種都是可以的?網上搜一下看有沒有現成的原理圖參考一下,換言之,對磁珠與電感之間的本質區別不是很了解。

 

如果讀者很贊同上面所述幾點,那可以不用往下看了,因為我不知道那幾點說的什么意思,磁珠是怎么消耗能量的?磁珠為什么不能儲能?你給我講講!講得明白我給你獻上膝蓋!沒有經過前面章節洗禮的讀者還真的不一定能夠講清楚。老子連磁導率的本質是什么都沒清楚,你就拿個復數來嚇唬我,我書讀得少,不要騙我(想表達的意思就是:不明白你在說什么,但是好像很厲害的樣子,逼格挺高的),另外,磁珠怎么會沒有磁芯和線圈? 

 

很多讀者就喜歡查找這類所謂“技術應用經驗或要點”的資料,覺得這是別人總結出來的經驗,非常有價值,並以此孜孜不倦地追求着,這正如同很多讀者囫圇吞棗一般閱讀《電子制作站》中文章,稀里嘩啦手指快速划動一下就看完了,然后…然后就沒有然后了!其實一點都沒有用心去看。

很多人看完文章之后問的一些問題明明在文章中已經明確有答案,原因就是:我們沒有明確這樣的一二三四點指出!給你漁網還不成,給你魚也不成,非得把魚煮好了再把刺去掉最后還得喂給你,你說這是什么尿性?如果最原始信息都不符合你的口味,那能否計算一下自己離漁網(基礎)的距離有多遠?這些所謂的經驗都是從最基本的知識擴展出來的,但能夠擴展出來的“經驗”遠不止這些,如果連最基本的知識都沒弄明白,在技術的旅途上你能走得有多遠?

別人的經驗可以看,但也得去辯證地接受,用局外人的格局來看待這些所謂的經驗,切勿深陷其中(無論讀者是做什么工作的,就算經常使用DDR4相關高速數字設計或模擬射頻這些看似高逼格的東東,基礎始終是最為重要的,能用最基礎的知識解答那些貌似“高級”問題才算真正的牛逼)。

經過前面這么多章節的技術講解轟炸,咱翅膀也硬了,也學學《大漢天子》里東方慧的尿性,不管你寫的什么東西,咱也非得滋出丈二的尿來,逐條用我們前面學過的最基本的知識檢驗檢驗這些經驗。

 

1、電感的單位是亨利,磁珠的單位是歐姆。這點似乎沒什么好爭議的,其實不然!

 

我想說的是:這特么也算電感與磁珠的一個區別?首先,這句話本身是有問題的,根據我們前面學過的概念分層法,“電感”與“磁珠”不是一個層次的概念(電感也有“電感器”的意思),“電感器”與“磁珠”才是同一個層次的概念,那這句話理應是“電感器的單位是亨利,磁珠的單位是歐姆”,但還是不對勁?電感器是元器件的概念,單位是個數或PCS(有人說,你這就鑽牛角尖了吧,但做技術就得鑽牛角尖,很多看似簡單的概念其實並不簡單)

其次,亨利或歐姆都是電感器或磁珠某一方面的參數,兩種元器件都有這個參數,為什么你會以這個為理由認為兩種有差別?我們先來看看磁珠的等效模型,如下圖所示:

 

 

 

其中,EPC表示並聯寄生電容,LBEAD表示磁珠的電感成分,RAC為磁珠等效交流電阻(交流磁芯損耗),RDC為磁珠的直流電阻。有過一定磁珠應用經驗的工程師都會對類似下圖的ZRX曲線有印象:(來自VISHAY貼片磁珠ILBB-0603數據手冊)

 

一般磁珠規格書中的阻抗值都會以100MHz測試值為代表,如下圖所示:

 

而實際的電感器與電容器一樣,也會有頻率特性,其等效電路應如下圖所示:

 

電感的等效電路結構與磁珠是一樣的,其中,EPC表示等效分布電容(線間電容為主),RDC表示線圈的直流電阻(銅損),RAC是磁芯的損耗(鐵損)。電感器阻抗在較低的頻率下顯示出電感特性,並且幾乎呈線性增加,當達到其自諧振頻率時阻抗達到最大值,之后就顯示電容特性,此后幾乎線性下降,其頻率曲線如下圖所示:

 

將磁珠與電感器的曲線圖對比一下,可以看到大體的頻率曲線趨勢也是差不多的,阻抗都是先高再低的過程,那為什么電感器就不能夠替代磁珠呢?有人說:電感器的自諧振頻率比較低,高頻應用場合就用不了了,那一般電感的自諧振頻率可以達到多少呢?我們看看0603貼片電感的自諧振頻率,如下圖所示(來自VISHAY貼片電感ILSB-0603數據手冊):

 

上表可以看出,100MHz自諧振頻率多了去,而且在超過自諧振頻率后,阻抗在較大的范圍內也不比磁珠低,一點都不遜色於磁珠,換言之,從高頻阻抗的這個角度,電感器完全可以代替磁珠!

事實上,從本質來講,磁珠就是電感器的一種,有些規格書上也把磁珠稱之為磁珠電感器,如下圖所示(來自村田MURATA技術手冊):

 

很多廠家也把磁珠歸在電感器一類,因為兩者原理是完全一致的,只不過頻率特性曲線有所差別:磁珠將電感器的高頻阻抗特性加強,並同時將低頻阻抗特性削弱,換言之,我們在使用電感器的場合,主要是利用電感器的電感量,其單位是亨利,而我們使用磁珠時,主要利用其高頻阻抗特性,阻抗的單位是歐姆

 

2、電感是儲能元件,磁珠為能量消耗器件。有人說:我去,這還需要理解嗎?地球人都知道!你可以不用往下看了,因為你已經比奧特曼更厲害了!我要提的是兩個問題:

其一、磁珠為什么不是儲能元件?

其二、磁珠是如何消耗能量的?

 

對於其一,有些讀者說:因為磁珠的電感量很小!在理,然而這只是表象!電感量跟能量儲存的大小沒有必然關系,有人爭辯道:不是有個W=(1/2)LI2公式嗎?地球人都知道呀!這個公式在實際應用中成立的前提條件是:磁芯未飽和!換言之,電感量大意味着可能儲存的能量大(也可能小),更何況,有些磁珠也有那么兩三圈,電感量還沒小到可以忽略的程度。

 

我們依然可以根據前面學習過的基礎知識判斷磁珠是不是儲能元件。在前面章節就詳細討論過各種磁性器件儲能位置的特點:有能量儲存的地方必定會有磁通的變化量,如下圖所示磁棒電感:

 

磁芯中的磁通量ɸ2非常大,而一旦磁路在磁芯范圍外就遇到空氣,由於空氣聚集磁通能力弱而使得磁通發散開來,對於相同的截面積S,磁通量ɸ1非常小,這樣就存在磁通變化量ɸ2- ɸ1(磁勢差),換言之,其中就存儲着能量(詳情可參考第八節)

而磁珠的磁芯中磁路如下圖所示:

 

這不是與磁環電感的磁路是一樣的嗎?你不是在前面已經介紹過,宏觀上雖然磁路各處的截面積S內沒有磁通變化量,但微觀上是有的呀!那磁珠也應該可以儲能呀!但是大家要注意:我們之前討論的是鐵粉芯之類的材料,而磁珠的材料是鐵氧體,鐵氧體的磁導率是非常高的

有些讀者(特別是沒有通讀前面章節的)對這句話不是很敏感,如果我們不提的話根本就不太在意,磁芯的磁導率高意味着什么?有人想到電感量L的公式,在相同的條件下,磁芯磁導率越高μ則電感量越大,繼而能夠儲存的能量也越大,然而,這跟我們講的儲能沒有一毛錢關系(不要轉了半天回到電感量的原點)

磁芯的磁導率高意味着內部的分布氣隙非常少,而分布氣隙是磁環能夠儲存能量的本質所在,換言之,內部儲能的位置也非常少(理想的鐵氧體磁芯是沒有能量存儲的)

 

那磁珠又是如何消耗能量的呢?我們都知道,當導線有電流通過時,即會產生靜磁場,如下圖所示:

  導線周圍磁力線的方向可用“右手定則”來決定:用右手握住導體,如果拇指的方向為電流流動的方向,則其它手指的指向即磁力線的方向(這個電流方向是指規定的電流方向,而不是電子流動的方向)。

 

磁場是含有能量的,但靜磁場是無法進行能量轉換的!我們只需要將一個閉合回路的某個活動部分來回運動(切割磁力線)就能夠產生電流,因為穿過閉合回路的磁通量已經發生了改變,如下圖所示:

 

 

         這就是著名的法拉地定律:只要穿過閉合電路的磁通量發生變化,移動的導體就會產生感應電動勢,則閉合電路中就有電流產生。這種現象稱為電磁感應現象,所產生的電流稱為感應電流。

上圖切割磁力線的方式與下圖是類似的,即閉合線圈左右移動切割導體產生的磁場,盡管靜磁場本身沒有磁通量的變化,但閉合線圈在移動時還是會有磁通變化量的存在。

 

我們還有一個方法在閉合線圈中產生電流,就是使磁場發生變化,這樣就算閉合線圈不移動,交變磁場也會在閉合線圈產生磁通變化量,繼而產生感應電流,如下圖所示:

 

高頻交流源變化越快,則產生的交變磁場變化也越快,相應的閉合線圈中產生的感應電流也相應越大。

 

一整塊鐵板本身也可以等效為一個閉合線圈,這樣在高頻交流產生的交變磁場在鐵板上產生感應電流(渦流電流),這種損耗稱為渦流損耗,如下圖所示:

渦流產生的熱效應在很多場合都是有害的,但工業上利用這種渦流效應可以制成高頻感應電爐來冶煉金屬,如下圖所示:

 

高頻交流源在線圈內激發出很強的高頻交變磁場,這時放在坩堝內被冶煉的金屬因電磁感應而產生渦流,釋放出大量的焦耳熱,從而使自身熔化,換言之,電能通過交變磁場轉換為熱能消耗掉了

磁珠也是利用同樣的原理制作而成的,如果把鐵板卷成一個圓柱形套在導體上,就形成了一個磁珠了,這么說來用一個鐵戒指也可以當作磁珠了?呵呵!原理上真的可以,但是一根導體產生的磁通量實在是太小了,我們需要一種磁導率很高(相當於磁力線更容易通過,這與電流從低阻抗通道經過是類似的)的材料來收集導體周圍在磁場,從這個意義上來講,磁導率高的材料也有放大磁通量的好處,這樣當含有高頻噪聲成分的直流電流通過磁芯時,就如下圖所示:

 

低頻或直流電流產生的低速變化或靜磁場,其產生的磁通變化量也比較小,在鐵氧體磁芯上幾乎不存在渦流損耗;而高頻噪聲電流在鐵氧體磁芯上產生的高速變化的交變磁場,並在磁芯中產生非常大的渦流(能量)損耗,如下圖所示:

 

一些規格書中把磁珠的等效電路圖畫成下圖所示:

 

 

這很容易誤導工程師理解磁珠的工作原理,以為磁珠是因為高頻時電阻很大而起到抑制高頻噪聲的作用。然而很明顯,如果需要磁珠能夠有效抑制某高頻分量,則該高頻信號通過磁珠時,磁芯中的渦流損耗應該是比較大的,亦即磁芯電阻率相對也應該比較小的(你可以理解為電阻較小),這與圖表上的阻抗值趨勢恰好是相反的,換言之,我們說磁珠阻抗越大,實際此時磁芯電阻率應該是越小的,這樣熱能量的消耗才會越大,只不過這種行為對於外部高頻信號表現出的阻抗比較大。

我們可以用下圖來理解磁珠的阻抗(僅作阻抗示意之用)

 

假設電容C1的自諧振頻率恰好等於高頻交流源的頻率,則電阻R1的大小就能決定負載RL上能夠獲取高頻交流源的成分大小,這里的電阻R1就相當於磁珠磁芯在高頻下的電阻率,電阻R1越小(最小是0),通過RC支路的成分就越多,則負載RL上的成分就越小,我們認為磁珠此時的阻抗是較高的(電阻與阻抗的大小趨勢相反)。

 

 

下一節我們再討論其它的“經驗”項,想聽的記得搬上板凳呀,么么噠~~


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