磁珠和电感在解决EMI和EMC方面的作用分析

ByElmer1

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(DDRSDRAM,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. 磁珠有很高的电阻率和磁导率，等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化。
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。磁珠有很高的电阻率和磁导率，他等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化。 他比普通的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。
. W8 ]# |* b- m* Z( a4 \磁珠可等效成一个电感，但这个等效电感与电感线圈是有区别的，磁珠与电感线圈的最大区别就是，电感线圈有分布电容。因此，电感线圈就相当于一个电感与一个分布电容并联。如图1所示。图1中，LX为电感线圈的等效电感(理想电感)，RX为线圈的等效电阻，CX为电感的分布电容。

电感器(电感线圈)和变压器均是用绝缘导线(例如漆包线、纱包线等)绕制而成的电磁感应元件，也是电子电路中常用的元器件之一，相关产品如共模滤波器等。当线圈中有电流通过时，线圈的周围就会产生磁场。当线圈中电流发生变化时，其周围的磁场也产生相应的变化，此变化的磁场可使线圈自身产生感应电动势(电动势用以表示有源元件理想电源的端电压)，这就是自感。两个电感线圈相互靠近时，一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈，这种影响就是互感。互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度，利用此原理制成的元件叫做互感器。
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理论上对传导干扰信号进行抑制，要求抑制电感的电感量越大越好，但对于电感线圈来说，电感量越大，则电感线圈的分布电容也越大，两者的作用将会互相抵消。

在低频时，一般磁珠的相对导磁率都很大(大于100)，但在高频时其有效导磁率只有相对导磁率的几分之一，甚至几十分之一。因此，磁珠也有截止频率的问题，所谓截止频率，就是使磁珠的有效导磁率下降到接近1时的工作频率fc，此时磁珠已经失去一个电感的作用。一般磁珠的截止频率fc都在30～300MHz之间，截止频率的高低与磁珠的材料有关，一般导磁率越高的磁芯材料，其截止频率fc反而越低，因为低频磁芯材料涡流损耗比较大。使用者在进行电路设计的时候，可要求磁芯材料的提供商提供磁芯工作频率与有效导磁率 的测试数据，或穿心电感在不同工作频率之下的曲线图。图5是穿心电感的频率曲线图。
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- Y; V! c! _$ ?4 S- s1 `: H磁珠另一个用途就是用来做电磁屏蔽，它的电磁屏蔽效果比屏蔽线的屏蔽效果还要好，这是一般人不太注意的。其使用方法就是让一双导线从磁珠中间穿过，那么当有电流从双导线中流过时，其产生的磁场将大部份集中在磁珠体内，磁场不会再向外辐射;由于磁场在磁珠体内会产生涡流，涡流产生电力线的方向与导体表面电力线的方向正好相反，互相可以抵消，因此，磁珠对于电场同样有屏蔽作用，即：磁珠对导体中的电磁场有很强的屏蔽作用。
使用磁珠进行电磁屏蔽的优点是磁珠不用接地，可以免去屏蔽线要求接地的麻烦。用磁珠作为电磁屏蔽，对于双导线来说，还相当于在线路中接了一个共模抑制电感，对共模干扰信号有很强的抑制作用。
+ R% u6 \1 a8 U- R( T+ D图2是普通电感线圈的阻抗与频率的关系图，由图中可以看出，电感线圈的阻抗开始的时候是随着频率升高而增大的，但当它的阻抗增大到最大值以后，阻抗反而随着频率升高而迅速下降，这是因为并联分布电容的作用。当阻抗增到最大值的地方，就是电感线圈的分布电容与等效电感产生并联谐振的地方。图中，L1 》 L2 》 L3，由此可知电感线圈的电感量越大，其谐振频率就越低。从图2中可以看出，如果要对频率为1MHz的干扰信号进行抑制，选用L1倒不如选用L3，因为L3的电感量要比L1小十几倍，因此L3的成本也要比L1低很多。
如果我们还要对抑制频率进一步提高，那么我们最后选用的电感线圈就只好是它的最小极限值，只有1圈或不到1圈了。磁珠，即穿心电感，就是一个匝数小于1圈的电感线圈。但穿心电感比单圈电感线圈的分布电容小好几倍到几十倍，因此，穿心电感比单圈电感线圈的工作频率更高。
. s- P2 j8 |$ ?* v穿心电感的电感量一般都比较小，大约在几微亨到几十微亨之间，电感量大小与穿心电感中导线的大小以及长度，还有磁珠的截面积都有关系，但与磁珠电感量关系最大的还要算磁珠的相对导磁率。图3、图4是分别是指导线和穿心电感的原理图，计算穿心电感时，首先要计算一根圆截面直导线的电感，然后计算结果乘上磁珠相对导磁率 就可以求出穿心电感的电感量。
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另外，当穿心电感的工作频率很高时，在磁珠体内还会产生涡流，这相当于穿心电感的导磁率要降低，此时，我们一般都使用有效导磁率 。有效导磁率 就是在某个工作频率之下，磁珠的相对导磁率。但由于磁珠的工作频率都只是一个范围，因此在实际应用中多用平均导磁率 。
3 T0 w  i0 v& e6 m/ l0 D由此可知，电感线圈主要是用于对低频干扰信号进行EMI抑制，而磁珠主要是对高频干扰信号进行EMI抑制，因此，对一个频带很宽的干扰信号进行EMI抑制，必须同时采用多个不同性质的电感才会有效。另外，对共模传导干扰信号进行EMI抑制，还要注意抑制电感与Y电容的连接位置。Y电容和抑制电感尽量靠近电源的输入端，即电源插座的位置，并且高频电感要尽量靠近Y电容，而Y电容还要尽量靠近与大地连接的地线(三心电源线的地线)，这对EMI抑制才有效。
附件：
. k( `& F1 P; @1、圆截面直导线电感与穿芯电感的计算：
如图3所示圆截面直导线，其电感为：
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" e  U! i$ I( X/ g. D4 g* n  [H]          （1）
其中：
L：圆截面直导线的电感[H]
：导线长度[m]
* u8 ~0 h, R, Q0 r/ D, `r：导线半径[m]
：真空导磁率，   [H/m]
6 W( q" ^. W) K6 I0 X; {. l% a3 F【说明】这是在>> r的条件下的计算公式。当圆截面直导线的外部有磁珠时，简称磁珠，磁珠的电感是圆截面直导线的电感的倍，是磁芯的相对导磁率， ，为磁芯的导磁率，也称绝对导磁率，是一个无单位的常数，它很容易通过实际测量来求得。
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磁珠有很高的电阻率和磁导率，他等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化