精致的铁氧体磁珠

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作者:Intersil公司 Ritter FerriteBead

[Dave坐在他的桌子前,正在一个看起来是珠宝网站上浏览。 T博士恰巧从他身旁走过.]
 
T – 你在做什么?

D – 哦,T博士,我正在采购点东西。我妻子很喜欢编珠子,我已经把这些珠饰配件都看了一遍,想找一件完美的礼物。

T – 珠子? 你是说用手工制作的珠宝,就是那种熟练工匠做的珠子吗?

D – 没错!  她用一堆珠子和几根绳子编出了几样非常棒的东西。我来穿针引线。

T – 看起来这对你来说是一项理想的工作。实际上,前几天我一直在鼓捣珠子。

D – 真的吗?  是想省下买珠宝的钱,还是你想做点什么新花样?

T – 实际上都不是。我在一块新电路板上碰到点麻烦,是噪声的问题。

D – 哦!  看来我们说的是磁珠啊,就是那种抑制噪声的磁感应元件。

T –是啊。我们把一个光检测PIN二极管的前端和磁珠放在一起,二极管的工作频率有几兆赫,要求能检测到几微伏的信号。

D –那你就必须把电源噪声降到最小。好像可以用磁珠完成这个工作!

T –我们经常使用磁珠,但我的很多学生只是把磁珠放到原理图里面,希望它们能有所帮助。  当然最好是对磁珠了解多一点,甚至可能要用模型来进行模拟。

D – 嗯,磁珠的资料并不多。事实上,我有一些来自制造商的标准。我们应当能把这些信息放到一起。

T –听起来不错。对于初学者,我认为磁珠就象是电感类的东西。

D –是的,但是多数电感通常设计成具有尽可能高的Q值和最低的损耗。

T – 这样电感就能很好地产生谐振。 

D – 当然,会有很多振荡。我马上就给你演示更多的东西。

T – 但是首先:你还记得我们说过的使用与负载并联的旁路电容器吗。在到达那个旁路电容之前,不是通常要加上一个串联电感吗?

D – 没错。电线本身会有一些电感,所以你会碰到低通滤波器特性。如果你加入一个分立电感,你就可以根据滤波器的特性针对一个特定频率进行微调。

 
图1,磁珠与空芯电感的对比


T – 我在murata.com 上的pdf库里看到过这个比较结果(在图1中)。我想这幅图突出显示了磁珠和空芯电感之间的区别。

D – 非常好。象电感一样,铁氧体的阻抗会随频率而升高,但在高频下就会变成阻性,因为在磁珠中没法以足够快的速度建立电磁场。虽然铁氧体还有电阻,但不再吸收能量了。另一方面,电感器会与自身的电容产生谐振(铁芯的作用就象电容的极板),在几百兆赫兹频率下会产生非常高的谐振峰值。

T –我没想到磁珠在高频下会表现出电阻的特性。在需要调谐信号链路的地方,我花了更多的时间在RF电路上。既然我们现把重点放在电源上,加上一个可能会在电源线上产生谐振(LC)的电路是很危险的,在电源线上我们最需要的是保持电平的稳定。

D –如果你只是要抵消一个频率,然后就可以调谐一个LC,但是多数时间的情况是要阻塞整个范围内的频率。磁珠的宽频特性要好得多。

T – 太好了,来看看图1。
D – 我可以给你讲讲那个图是怎么回事,你在频域上总是有点犯糊涂。你想过这些效应在时域怎么显示的吗?

 

图2,磁珠和电感对100mA阶跃的响应曲线

T – 我没看出有多大区别啊,Dave。只是有几个小的毛刺而已, 还是在你和你的时域上出现的。

D –  哦?  让我们放大一下,再看看。现在就可以看出来了,在磁珠和电感器之间有很大的不同!

 

图3, 将磁珠和电感对100mA阶跃的响应放大显示

T – 嗯。那个振铃能够扰乱重要的RF通信,例如收音机、手机甚至我的WiFi! 

D – 注意那个磁珠在高频下呈现出电阻特性,没有任何谐振。这就是为什么绝大多数计算机电缆在末端有一个突起。在那些电缆衬套里有磁珠,可以把开关噪声限制在计算机内部,避免把电缆变成一个天线。

T – 我的键盘上的线缆就有这么个衬套,我从来没想想是怎么回事。你从哪得到这个数据的?你是在实验室里做的试验,或是找到了一个好的模型?

D – 实际上,我在实验室里做了很多RFI保护工作,但是这一次,我从一个磁珠的数据表(Vishay Dale ILB-1206)里借用了一个曲线图。  然后我建立了一个电路模型,用来匹配这个曲线。模型的分布范围必须足够宽 (在这个例子中是4级),来代替这个曲线。 看看图4。

 
图 4.  数据表曲线与Dave的模型

T – 太棒了,这样就更直观易懂了, 你能把模型也给我看看吗? 

D – 我让你看一个能用的小磁珠模型。

 
图5.  Dave的磁珠电路模型


T – 我感觉我能更好地处理磁珠所起的作用了,但我们什么时候用它们呢?这些磁珠仅仅是裹在电脑的线缆里吗?

D – 哦,不是这样的。  磁珠能用来解决大问题。大型的铁磁线圈(环形线圈)经常用来过滤开关电源和基板间的共模噪声。

T – 这些东西真是相当大,但我发现这些器件甚至会采用表面贴装。

D – 没错。 Intersil的新型线缆均衡器在5MHz时的增益超过80dB,因此我们必须把电源引脚弄得非常干净,我们通过一个表面贴装的磁珠给均衡器供电,磁珠在1MHz时的等效串联电阻为1kΩ。 

T –我明白了。 我来把它编到诗里…..

磁珠
磁珠
阻止EMI
粘到电缆上
电压就达标

磁珠
磁珠
学校里没教
隔离吵杂的电路板
心爱的系统珠宝!

D – 既是工程师又是诗人。干得不错,T博士。