磁珠在PCB电路设计中的选用
发布时间：2012-3-15 13:58
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1。磁珠的单位是欧姆，而不是亨特，这一点要特别注意。因为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。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磁珠套，利用滋环或磁珠对高 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/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/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/输出电路，应尽量靠近屏蔽壳的进、出口处。对铁氧体磁环和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，因此它在高阻抗电路中的作用并不明显，相 反，在低阻抗电路(如功率分配、电源或射频电路)中使用将非常有效。四、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/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、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 。 磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，还具有吸收静电脉冲的能力。 磁珠是用来吸收超高频信号，象一些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错50MHZ。 磁珠的功能主要是消除存在于传输线结构(电路)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磁珠的影响。 片式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。 使用片式磁珠的好 处: 小型化和轻量化 在射频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RF能量)。 在高频放大电路中消除寄生振荡。 有效的工作在几个MHz 到几百MHz的频率范围内。 要正确的选择磁珠，必须注意以下几点: 1、不需要的信号的频率范围为多少; 2、噪声源是谁; 3、需要多大的噪声衰减; 4、环境条件是什么(温度，直流电压，结构强度); 5、电路和负载阻抗是多少; 6、是否有空间在PCB板上放置磁珠; 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。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磁珠型号。 片式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，磁珠的阻抗都会受到不利的影响。 使用片式磁珠和片式电感的原因: 是使用片式磁珠还是片式电感主 要还在于应用。在谐振电路中需要使用片式电感。而需要消除不需要的EMI噪声时，使用片式磁珠是最佳的选择。 片式磁珠和片式电感的应用场合: 片式电感: 射频(RF)和无线通讯，信息技术设备，雷达检波器，汽车，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。 片式磁珠: 时钟发生电路，模拟电路和数字电路之间的滤波，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)电路和易受干扰的逻辑设备之间，供电电路中滤除高频传导干扰，计算机，机，录像机(VCRS)，电视系统和手提电话中的EMI噪声抑止。 高速PCB设计中电容的作用 第一部分：电容的分类 电容在电路的设计中从应用上进行分类，可以将电容分为四类： 第一类： AC耦合电容。主要用于Ghz信号的交流耦合。 第二类： 退耦电容。主要用于保持滤除高速电路板的电源或地的噪声。 第三类： 有源或无源RC滤波或选频网络中用到的电容。 第四类： 模拟积分器和采样保持电路中用到的电容。 在本文中我们将主要讨论第二大类退耦电容。 电容从制造的材料和工艺进行分类，主要有以下不同形式的电容： 1、NPO陶瓷电容器 2、聚苯乙烯陶器电容器 3、聚丙烯电容器 4、聚四氟乙烯电容器 5、MOS电容器 6、聚碳酸酯电容器 7、聚脂电容器 8、单片陶瓷电容器 9、云母电容器 10、铝电解电容器 11、钽电解电容器 在实际的设计中由于，价格、采购等各方面原因经常用的电容有：陶瓷电容、铝电解电容、钽电容。 第二部分：电容的具体模型和分布参数 要正确合理的应用电容，自然需要认识电容的具体模型以及模型中各个分布参数的具体意义和作用。和其他的元器件一样，实际中的电容与"理想"电容器不同，" 实际"电容器由于其封装、材料等方面的影响，其就具备有电感、电阻的一个附加特性，必须用附加的"寄生"元件或"非理想 "性能来表征，其表现形式为电阻元件和电感元件，非线性和介电存储性能。"实际"电容器模型如下图所示。由于这些寄生元件决定的电容器的特性，通常在电容器生产厂家的产品说明中都有详细说明。在每项应用中了解这些寄生作用，将有助于你选择合适类型的电容器。 
从上面的图我们可以看出，电容实际上应该由六个部分组成。除了自己的电容C外，还有以下部分组成： 1、等效串联电阻ESR RESR ：电容器的等效串联电阻是由电容器的引脚电阻与电容器两个极板的等效电阻相串联构成的。当有大的交流电流通过电容器，RESR使电容器消耗能量(从而产生损耗)。这对射频电路和载有高波纹电流的电源去耦电容器会造成严重后果。但对精密高阻抗、小信号模拟电路不会有很大的影响。RESR 最低的电容器是云母电容器和薄膜电容器。 2、等效串联电感ESL，LESL ：电容器的等效串联电感是由电容器的引脚电感与电容器两个极板的等效电感串联构成的。像RESR 一样，LESL 在射频或高频工作环境下也会出现严重问题，虽然精密电路本身在直流或低频条件下正常工作。其原因是用于精密模拟电路中的晶体管在过渡频率(transition frequencies)扩展到几百兆赫或几吉赫的情况下，仍具有增益，可以放大电感值很低的谐振信号。这就是在高频情况下对这种电路的电源端要进行适当去耦的主要原因。 3、等效并联电阻EPR RL ：就是我们通常所说的电容器泄漏电阻，在交流耦合应用、存储应用(例如模拟积分器和采样保持器)以及当电容器用于高阻抗电路时，RL 是一项重要参数，理想电容器中的电荷应该只随外部电流变化。然而实际电容器中的RL 使电荷以RC时间常数决定的速率缓慢泄漏。 4、还是两个参数RDA、CDA 也是电容的分布参数，但在实际的应该中影响比较小，这里就不介绍了。所以电容重要分布参数的有三个：ESR、ESL、EPR。其中最重要的是ESR、ESL，实际在分析电容模型的时候一般只用RLC简化模型，即分析电容的C、ESR、ESL，这我们将在下周做重点分析电容的简化模型。 5、下面我们在介绍详细模型的基础上，谈谈我们设计中经常用到两种电容： 6、电解电容器(比如：钽电容器和铝电解电容器)的容量很大，由于其隔离电阻低，就是等效并联电阻EPR很小，所以漏电流非常大 (典型值5〜20nA/μF)，因此它不适合用于存储和耦合。电解电容比较适合用于电源的旁路电容，用于稳定电源的供电。最适合用于交流耦合及电荷存储的电容器是聚四氟乙烯电容器和其它聚脂型(聚丙烯、聚苯乙烯等)电容器。 7、单片陶瓷电容器，比较适合用于高频电路的退耦电容，因为它们具有很低的等效串联电感，就是等效串联电感ESL很小，具备有很广的退耦频段。这和他的结构构成有很大的关系单片陶瓷电容器是由多层夹层金属薄膜和陶瓷薄膜构成的，而且这些多层薄膜是按照母线平行方式排布的，而不是按照串行方式卷绕的。 8、这周我们谈了电容的详细的等效模型，相信大家现在对电容应该有比较深的认识了，下周我们将继续谈，我们实际分析应用中要经常用到的电容的简化等效模型，和他阻抗曲线的由来和意义。 第三部分：电容的简化模型和阻抗曲线 为了分析方便，在实际的分析应该中经常使用由串联等效电阻ESR、串联等效电感ESL、电容组成的RLC模型。因为对电容的高频特性影响最大的则是ESR和ESL，我们通常采用下图中简化的实际模型进行分析： 
上面组成的RLC模型的阻抗如果用数学公式可以表示如下： 
那么它的模的表达式如下： 
上式就是电容的容抗随频率变化的表达式，如果2πfLs=1/2πfC，那么|Z|min=Rs，此时： 画出电容的容抗的曲线的图如下： 
从上图，我们很清楚的看出：电容在整个频段，并非都是表现为电容的特性，而是在低频的情况(谐振频率以下)，表现为电容性的器件，而当频率增加(超过谐振频率)的时候，它渐渐的表现为电感性的器件。也就是说它的阻抗随着频率的增加先减小后增大，等效阻抗的最小值发生在串联谐振频率时，这时候，电容的容抗和感抗正好抵消，表现为阻抗大小恰好等于寄生串联电阻ESR。 了解了上面的曲线，应该就不难理解在实际的应该中，我们的选择电容标准是： 1、尽可能低的ESR电容。 2、尽可能高的电容的谐振频率值。 |
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