磁珠想必大家都不陌生，很多人見過，用過，但是不知是否有總結過呢？ 我印象比較深刻的是，在一次面試的時候，面試官問我磁珠和電感在濾波方面的區別。那是我第一次對磁珠這個東西有了概念。

在后來，在工作中看別人用，自己用，再到現在自己總結，給別人講磁珠。

1. 磁珠的定義

磁珠是一種被動組件，用來抑制電路中的高頻噪聲。磁珠是一種特別的扼流圈，其成分多半為鐵氧體，利用其高頻電流產生的熱耗散來抑制高頻噪聲。磁珠有時也稱為磁環、EMI濾波器、鐵芯等（維基百科）。

磁珠是濾波常用的器件，鐵，鎳，鋅氧化物混合而成，所以稱為鐵氧體磁珠，鐵氧體磁珠因為電阻率非常高，磁導率（100~1500）較高的特性，串接在信號或電源通路上，用于抑制高頻噪聲。當電流流過鐵氧體磁珠時，低頻電流可以幾乎無衰減地流過，但高頻電流卻會受到很大的損耗，轉變成熱量散發。

2. 磁珠的用法

磁珠的主要原料為鐵氧體，專用于兩種場合，抑制信號線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾。磁珠有很高的電阻率和磁導率。 應用案例如下圖所示：



3. 磁珠濾波作用

在總結磁珠的濾波特性之前，有必要對比一下電容和電感的濾波特性。

電容的濾波原理

根據前面的定義，磁珠一般是用在濾除高頻噪聲干擾的場合。電容在高頻區實現濾波的是依據電容自身阻抗的表達式：



當經過電容的噪聲信號頻率越高時，電容的容抗越小，因此高頻噪聲越容易通過電容，如果此時將電容對地放置，那么高頻噪聲就會經過低阻抗的電容到地。

電感的濾波原理

電感用在濾波電路中是利用自身的感抗，在高頻時，電感的感抗會增加。根據感抗的公式：



噪聲的頻率越高，電感的阻抗越大，那么在噪聲經過電感時，會因為碰到巨大的阻礙，導致信號被反射回去。可以假想此時的噪聲Noise是高壓槍水管，電感是一堵墻，當高壓水槍對著墻面時，會被反彈回來一樣。



那么磁珠的濾波原理是怎么樣的呢？為了研究這個問題，我們最好是能像研究電感和電容一樣，知道磁珠在高頻的表達式，或者是等效電路。

磁珠的等效電路

磁珠的等效電路如下圖所示：



其中等效是直流電阻，是一個恒定值，為寄生電容，為磁珠相關聯的交流電阻(交流磁芯損耗)，為磁珠的線圈感抗。根據上述等效電路，磁珠的表達式為：



可以看出磁珠的阻抗Z是頻率的函數，在不同的頻率段阻抗存在變化。將帶有頻率部分簡化為電抗X，則磁珠的表達式為：



將上述表達式繪制成曲線，就是磁珠數據手冊中的曲線。



從上述的曲線可以看出，磁珠阻抗為了三個區域，低頻段電感占主導，呈現電感的特性；中間段電阻占主導，呈現電阻的特性；高頻段電容占主導，呈現電容的特性。Z表示阻抗整體，R表示阻抗的電阻成分、X表示電抗成分。也可以看成是，Z表示綜合的靜噪性能、R表示通過磁損耗吸收噪聲的性能、X表示通過阻抗成分使噪聲反彈的性能。

還有一種磁珠的等效模型，等效于電阻和電感串聯，但電阻值和電感值都隨頻率變化，相比較而言，磁珠比普通的電感有更好的高頻濾波特性，在高頻時呈現阻性，并且能在相當寬的頻率范圍內保持較高的阻抗，從而有很好的起到吸收噪聲的效果。



在這種模型等效下，更容易理解磁珠，在低頻的時候，磁珠等效為電感，此時的交流電阻很低，而在高頻的時候，磁珠等效為電阻。如下圖所示。

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使用這種等效模型分析原理基本一致，不做更多的贅述。

磁珠濾波原理

磁珠用在信號線上濾波，主要是用它中間段的特性，即呈現電阻性。當噪聲通過磁珠時，會在電阻上產生熱量，能量電信號轉換成了熱能量。如下圖所示。



當然，如果信號經過電阻就能產生熱量，根據焦耳熱的公式：



在一定的時間內要產生足夠的熱量，要么是電流大，或者是電阻大才能滿足條件。

而磁珠一般用在電源線上或者信號線上，對于信號線上的噪聲，電流可能是mA甚至是級別，因此這么小的電流通過磁珠就能轉換成熱量，只能說明此時磁珠表現為一個高電阻值的器件。

結合TDK磁珠MMZ2012S102A阻抗曲線可以看出，阻抗在100MHz的信號頻率下為1100Ω，和上面分析消除噪聲是利用高阻抗的原理吻合。



既然是高阻值就能消除噪聲，為什么不直接在信號上放MΩ級別的電阻呢？顯然不行，因為在信號線或者電源線上，如果是直流信號，使用一個MΩ級別的電阻，大部分壓降都在電阻上消耗了，完全不符合設計的初衷。

但是磁珠不會，因為磁珠在低頻段阻抗很小，只是在高頻段才能呈現高阻抗，而噪聲信號一般都在幾十MHz~幾百MHz以上，剛好磁珠阻抗在這個頻段高，因此能消除噪聲。

根據上面的分析，可以將磁珠的工作原理用下面的模型進行等效。

（1）當信號頻率較低時（30M以內），磁珠的等效模型如下



此時磁珠表征出的特性如曲線紅色區間所示。



（2）當信號頻率上升后（30M~1000M），磁珠的等效模型如下



此時磁珠表征出的特性如曲線黃色區間所示。



（3）當信號頻率非常高時（1000M以上），磁珠的等效模型如下



此時磁珠表征出的特性如曲線綠色區間所示。



4.磁珠濾波電路舉例

根據上面的分析，磁珠主要用在電源和信號線上。起到的作用主要是濾波和降低EMI。

信號線上用磁珠

信號線上使用磁珠一般存在兩種情況，普通的數字信號和射頻GHz的信號，下圖是一個LCD驅動的原理框圖，U1為單片機，U2為電平轉換芯片，U3是顯示驅動模塊。磁珠排放置在并口的數據線上，其目的是為了消除高速數字信號在傳輸時產生的高次諧波，避免干擾輻射到顯示屏上，導致圖像出現雪花點或者圖像閃屏的現象。



如果在信號線上有尖峰噪聲，使用磁珠可以吸收掉高頻的毛刺，對原始信號進行了濾波。左圖為帶有噪聲的信號，右圖是經過磁珠后的輸出信號。

電源線上用磁珠

在電源線上使用磁珠，較多的是將電源進行隔離，比圖下圖中VDD是數字電源，AVDD模擬電源，在數字電源和模擬電源中間增加磁珠，可以達到更好的濾波效果。





此時磁珠的選型如下



另外一種使用方法是在芯片輸入端增加磁珠，如下圖所示：這種使用方法是想將外部電源上的噪聲進行濾除，防止進入后級的電路中。



在這種使用方法中，需要注意兩點，磁珠的選型通流能力需要滿足負載在電流的需求，另外在磁珠后面需要增加去耦電容。

EMC上用磁珠

無論在信號上還是在電源線上使用磁珠，其本質目的都是消除高頻噪聲，而高頻噪聲對外的輻射發射超標是EMC常見的問題，特別是在時鐘信號線上，因此，在設計晶振電路時，會在電源線上增加磁珠，防止晶振電路的干擾串到系統的電源中。



因此，EMC上使用磁珠更多的是結果，而不是原因。

在我們筆記本電源線上也使用磁珠，為了防止傳導輻射。

再比如在USB線上增加磁環，用于消除輻射干擾。

下面是在帶寬為30~350M信號線上增加磁珠和不增加磁珠測試到的輻射頻譜，結果顯示在30~350M頻段上磁珠將所有的峰值噪聲都進行了消除，因此，這個磁珠用在低頻段比較合適，而在高于350M以上的帶寬顯然這個磁珠無法起到作用。



5.問題討論

現設計的晶振電源濾波電路如下，VCC為系統主電源3.3V，磁珠FB的該如何選型？選型時需要注意什么？PCB布局有什么講究？歡迎大家留言討論！

審核編輯：劉清