發布日期：2022-04-26 點擊率：530
【導讀】磁珠的全稱為鐵氧體磁珠濾波器（另有一種是非晶合金磁性材料制作的磁珠），是一種抗干擾元件，濾除高頻噪聲效果顯著。磁珠的主要原料為鐵氧體。鐵氧體是一種立方晶格結構的亞鐵磁性材料。鐵氧體材料為鐵鎂合金或鐵鎳合金，它的制造工藝和機械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色。
磁珠的全稱為鐵氧體磁珠濾波器（另有一種是非晶合金磁性材料制作的磁珠），是一種抗干擾元件，濾除高頻噪聲效果顯著。磁珠的主要原料為鐵氧體。鐵氧體是一種立方晶格結構的亞鐵磁性材料。鐵氧體材料為鐵鎂合金或鐵鎳合金，它的制造工藝和機械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色。
磁珠基礎知識
磁珠（Ferrite bead）有很高的電阻率和磁導率，其等效電路是一個 DCR 電阻串聯一個電感并聯一個電容和一個電阻。 DCR 是一個恒定值，但后面三個元件都是頻率的函數，也就是說它們的感抗，容抗和阻抗會隨著頻率的變化而變化，當然它們阻值，感值和容值都非常小。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，所以能在相當寬的頻率范圍內保持較高的阻抗，從而提高調頻濾波效果。
磁珠的電路符號就是電感，但是型號上可以看出使用的是磁珠。在電路功能上，磁珠和電感是原理相同的，只是頻率特性不同而已。
從等效電路中可以看到，當頻率低于 fL（LC 諧振頻率）時，磁珠呈現電感特性；當頻率等于 fL 時，磁珠是一個純電阻，此時磁珠的阻抗（impedance）最大；當頻率高于諧振頻率點 fL 時，磁珠則呈現電容特性。
EMI 選用磁珠的原則就是磁珠的阻抗在 EMI 噪聲頻率處最大。比如如果 EMI 噪聲的最大值在 200MHz，那你選擇的時候就要看磁珠的特性曲線，其阻抗的最大值應該在 200MHz 左右。
下圖是一個磁珠的實際的特性曲線圖。 大家可以看到這個磁珠的峰值點出現在 1GHz 左右， 在峰點時，阻抗（Z）曲線的值與電阻（R）的相等。也就是說這個磁珠在 1GHz 時，是個純電阻，而且阻抗值最大。
Z: impedance R: R( f) X1: LC
前面簡單介紹了 EMI 磁珠的基本特性曲線。
從磁珠的阻抗曲線來看，其實它的特性就是可以用來做高頻信號濾波器。需要注意的是，通常大家看到的廠家提供的磁珠阻抗曲線，都是在無偏置電流情況下測試得到的曲線。
但大部分磁珠通常被放在電源線線上用來濾除電源的 EMI 噪聲。在有偏置電流的情況下，磁珠的特性會發生一些變化。下面是某個 0805 尺寸 500mA 的磁珠在不同的偏置電流下的阻抗曲線。大家可以看到，隨著電流的增加，磁珠的峰值阻抗會變小，同時阻抗峰值點的頻率也會變高。
在進一步闡述磁珠的特性之前，讓我們先來看一下磁珠的主要特性指標的定義：
Z (阻抗， impedance ohm) :磁珠等下電路中所有元件的阻抗之和,它是頻率的函數。通常大家都用磁珠在 100MHz 時的阻抗值作為磁珠阻抗值。
DCR (ohm): 磁珠導體的的直流電阻。
額定電流：當磁珠安裝于印刷線路板并加入恒定電流，自身溫升由室溫上升 40C 時的電流值。
那么 EMI 磁珠的磁珠有成千上萬種，阻抗曲線也各不相同，我們應該如何根據我們的實際應用選擇合適的磁珠呢？
讓我們首先來看一下阻抗值同為600ohm@100MHz，但尺寸大小不同的磁珠在不同偏置電流電流和工作頻率下的特性。
上面是四個不同大小的磁珠分別工作在 0A，100mA 偏置電流及在 100MHz，500MHz 和 1GHz 工作頻率下的阻抗值。
從上表的測試數據中可以看出， 1206 尺寸的磁珠在低頻 100MHz 工作時，其阻抗值僅從 0A 下的600ohm 減小到 100mA 偏置電流下的 550ohm,而 0402 尺寸的磁珠阻抗值卻從 0A 下的 600ohm 大幅減小為 175ohm。
由此看來，在低頻大偏置電流應用的情況下，應該選擇大尺寸的磁珠，其阻抗特性會更好一些。讓我們來看一下磁珠在高頻工作時的情形。 1206 尺寸的磁珠其 1GHz 下的阻抗從 100MHz 下的600ohm 大幅減小為 105ohm,而 0402 尺寸的磁珠其 1GHz 下的阻抗則只由 100MHz 下的 600ohm 小幅減小為 399ohm。
這也就是說，在低頻大偏置電流的情況下，我們應該選擇較大尺寸的磁珠，而在高頻應用中，我們應該盡量選擇小尺寸的磁珠。
應用于信號線上的磁珠
讓我們再來看一下下面兩個不同曲線特征的磁珠 A 和磁珠 B 應用于信號線時的情況。
磁珠 A 和磁珠 B 的阻抗峰值都在 100MHz 和 200MHz 之間，但磁珠 A 阻抗頻率曲線比較平坦，磁珠B 則比較陡峭。
我們將兩個磁珠分別放在如下的 20MHz 的信號線上，看看對信號輸出會產生什么樣的影響。
下面是用示波器分別量測磁珠輸出端的波形圖
從輸出波形來看，磁珠 B 的輸出波形失真要明顯小于磁珠 A。
原因是磁珠 B 的阻抗頻率波形比較陡峭，其阻抗在 200MHz 時較高，只對 200MHz 附近的信號的衰減較大，但對頻譜很寬的方波波形影響較小。而磁珠 A 的阻抗頻率特性比較平坦，其對信號的衰減頻譜也比較寬，因此對方波的波形影響也較大。
下面是上述三種情況對應的 EMI 測試結果。結果是磁珠 A 和磁珠 B 都會對 EMI 噪聲產生很大的衰減。磁珠 A 在整個 EMI 頻譜范圍內的衰減要稍好于磁珠 B。
因此，在具體選用磁珠時，阻抗頻率特性平坦型的磁珠 A 比較適合應用于電源線，而頻率特性比較陡峭的磁珠 B 則較適合應用于信號線。磁珠 B 在應用于信號線時，可以在盡量保持信號完整性的情況下，盡可能只對 EMI 頻率附近的噪聲產生最大的衰減。
磁珠與電容回路
在一些器件的數據手冊或者應用文檔中，一般會建議對一些要求較高的電源管腳（比如VCCA，VCCPLL之類的）做隔離處理，并推薦使用磁珠進行隔離。一般建議將電容放在更加靠近器件電源管腳的地方（相對于磁珠的位置），如下圖所示。至于電容的容值，和該電源管腳的功率（電壓&電流），電容距離管腳的位置，電容的封裝大小等因素有關系。
對于電容的Layout也有一些講究，安裝電容時，要從焊盤拉出一下段引線通過過孔和電源平面連接，接地段也一樣。則電容的電流回路是：電源平面→過孔→引出線→焊盤→電容→焊盤→引出線→過孔→低平面。如下圖所示：
放置過孔的基本原則就是讓這一環路面積最小，減小寄生電感。下圖顯示幾種安裝方法：
※第一種方法從焊盤引出很長的線然后連接到過孔，這會引入很大的寄生電感，一定要避免這樣做。
※第二種方法在焊盤二端打過孔，比第一種方法路面積小的多，寄生電感也較小，可以接受。
※第三種方法在焊盤側面打孔，進一步減小了環路面積，寄生電感比第一個更小，是比較好的方法。
※第四種方法焊盤二側面打孔，和第三種方法相比，電容的每端都是通過并聯的過孔接入電源和地平面，比第三種的寄生電感還小，只要空間允許，盡量使用。
※最后一種方法在焊盤上直接打孔，寄生電感最小，但是焊接可能會出現問題。
“濫用”磁珠的危害
典型的8層以上單板，或者6層板采用3個電源地平面，電源地相對緊耦合的設計，這時候板上的濾波電容呈現“全局特性”，也就是說電容的位置不是很“重要”，電容在全局起作用。雙面板四層板，以及6層板電源地距離比較遠，相對松耦合的時候，板上的濾波電容傾向于“局部特性”，電容的位置比較重要，最好能靠近芯片管腳放置。
當電源供電網絡不使用電源地平面來設計的時候，電容更傾向于“局部特性”。如PLL電源的電容，如DDR3設計中Vref電源的電容，都希望嚴格把相應的電容靠近芯片的管腳，甚至最好能做到設計時指定電源必須從濾波電容進入芯片管腳。
同樣的，對于常規數字電源，如3.3V，2.5V等IO電源，如果我們對每一個芯片都使用磁珠隔離之后單獨供電，那么電容就失去了“全局”作用。最直接的一個負面作用就是導致設計需要增加更多的濾波電容。或者某個芯片的電容數量與種類不夠，導致電源軌道噪聲變大。
就算是電容的數量不是問題，電源噪聲可控，“濫用”磁珠還會造成其他設計問題。電源種類多是設計的現狀， “濫用”磁珠會“雪上加霜”的讓電源種類更多。加大電源地平面設計的難度。而增加的磁珠，其實并沒有給電源噪聲帶來好處。
總結
常規的數字電源，在采用多層板設計，電源地平面緊耦合的情況下，不建議“濫用”磁珠，保持電容的“全局”特性起作用。
需要使用磁珠的場合大致分為兩種
1、“特別”保護自己，如PLL電源，FPGA中的SerDes模擬電源等
2、“關愛”他人，自身的干擾性比較強，避免EMI問題，如強驅動的時鐘芯片等
主要參考文獻
1、網友aiyuanwuyin的博客，https://blog.csdn.net/taiyuanwuyin/article/details/78803110
2、電源完整性設計：
3、磁珠選型與應用知識：
4、EMC磁珠到底是什么 H？具體如何選型？：
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： MATLAB和Simulink在航
