硬件学习之器件篇

磁珠（Ferrite Bead，简写FB）是一种电子被动元器件（passive component：在电路中有信号通过，就能完成规定功能，不需要外加激励电源。），是由铁氧体等磁性材料制成，具有高电阻率ρ（Resistivity：物质电阻特性，单位Ω·m)和磁导率μ（magnetic permeability：μ=B/H，其中H=磁场强度，B=磁感应强度，单位是H/m），Ferrite Bead单位是欧姆。其在高频时阻抗很大，可抑制高频噪声和尖峰干扰，被广泛用于信号线和电源线上，用来解决辐射和干扰问题。

磁珠额定电流：在正常工作条件下，磁珠能够持续安全通过的最大电流（与电感一样，也叫温升电流，一般指自我温升不超过20°C~40℃的电流，不同厂家标的温升温度不一样）。在选择磁珠时，应确保电路的最大电流低于磁珠的额定电流，以避免磁珠过热或磁饱和，通常考虑余量设计，最好预留多三分之一，多多益善（在电源上使用磁珠时，要考虑直流偏置特性，即余量要留得更多，如预留多三分之二）。

如果考虑线路上的通流量不够，不建议采用两个磁珠并联，由于磁珠模型的感抗和容抗的不同，使得电流不会平均从两个磁珠通过，即可选择更高规格的磁珠。

在信号线上使用磁珠，就不用考虑额定电流，而在电源上使用就需要考虑额定电流。

直流导通电阻DCR：指DC电流通过磁珠时，磁珠呈现的电阻值。用在电源上的磁珠，DCR是很关键的参数。例如，在核电压1V上使用了0.2R的磁珠，而该核电压峰值电流达到3A，那么磁珠的压降0.2x3=0.6V，电压值只有原来的十分之六了，肯定会导致电压异常，比如死机、重启、不开机之类。

一般磁珠的阻抗越大，其直流导通电阻DCR也大，则会导致过流能力小，即额定电流小。

标称阻抗与DCR成正比，与Ir成反比

标称阻抗Z是指磁珠在100MHz下的阻抗值，包含实部和虚部，即Z=R+jX。一般磁珠规格书上的标称阻抗Z是在零直流偏置的条件下测试的。

另外，磁珠规格书的标称阻抗值是在温度85度下的测试值。随着温度的继续升高，磁珠阻抗值会降低，需要进一步考虑降额设计。

标称阻抗温度曲线

如下图所示，磁珠的阻抗-频率曲线包含 Z， R， X（横轴表示频率，纵轴表示阻抗）。Z 表示总的阻抗，R 表示电阻， X 表示感抗。

磁珠建模模型是由电阻、电感和电容组成，如下图所示：

RDC ：磁珠的直流导通电阻DCR，

CPAR：表示寄生电容，随频率变化

LBEAD ：表示磁珠电感，随频率变化

RAC ：与磁珠有关的交流电阻（交流磁芯损耗），随频率变化

磁珠阻抗-频率曲线

由阻抗-频率曲线可知，磁珠会有三种响应区域：

当X>R时，磁珠呈现感性

当X=R时，磁珠开始呈现阻性

当R=-X时，磁珠开始呈现容性

（通常的磁珠规格书上，负的X值没有在阻抗-频率曲线上显示）

在磁珠呈感性时，感抗X大于电阻R，磁珠呈现感性，可以把磁珠理解为是一个低损耗、高Q特性的电感，与寄生电容组成LC低通滤波器。在线路设计过程中，要注意防止呈感性的磁珠与电容谐振，出现过充或振铃现象，使得干扰增强。

例如，根据谐振频率计算f=1/（2Π*Sqrt(LC))，如果在电源线路上的磁珠后面放置的是nF级电容，很容易产生谐振，如跟电源开关频率或干扰频率接近，那么导致噪声就会变大。如果把电容加大到uF级别，其谐振频率降得很低。即，磁珠后面最好放置一颗uF级电容（在电源线路上），而信号线上没有放置大电容时，要注意磁珠参数导致的谐振。

另外，电源上串的磁珠后面都要加电容，因此磁珠有感性，会阻碍电流的变化，没有电容的话，会导致电流续不上，电压跌落。

在磁珠呈阻性时，电阻R大于感抗X，在电磁干扰EMI使用时，滤除的辐射或干扰频率要在阻性区内，其可有效地吸收并转换成热能的形式耗散掉，即使得磁珠是吸收噪声而不是反射噪声。阻性区域出现在磁珠交越频率 (X = R) 之后，直至磁珠变为容性（容性电抗-X 绝对值等于 R 的频率处）的那一点为止。

在磁珠呈容性时，负的容抗值-X（绝对值）大于R电阻值，线路设计上要滤除的高频干扰频率不能在磁珠呈容性段。因为磁珠呈容性时，高频信号就直接流过磁珠，起不到滤除高频干扰信号的作用。

磁珠的阻抗为什么要有实部和虚部？

数学上的复平面z=a+bi，横轴表示实轴，纵轴表示虚轴。复平面上的三个点就是（a,bi）、(a,0)、(0,bi)。而z的模就是a平方加上b平方的根号，这样复数z就既有长度又有角度。

物理上的感抗公式：XL=ωL=2πfL，容抗公式：Xc=1/(2πfC)。在复平面上，感抗是逆时针旋转了90°，容抗来说是顺时针旋转90°。

电阻器是耗能元件，是阻抗的实数部分（电阻）；电容器和电感器是储能元件，是阻抗的虚数部分（电抗），即磁珠标称阻抗Z=R+jX。

用复平面的复数很好地来表示物理电路上的电阻、感抗、容抗。

复数平面

磁珠用作电源滤波时，流过磁珠的电流不为零，有直流偏置电流。而直流偏置电流会影响磁芯材料。随着直流偏置电流的增加，磁芯材料会趋向饱和，使得磁珠电感下降，则影响了磁珠的阻抗-频率曲线。电源线路上的电流值为额定电流50%时，阻抗值下降了90%。额定电流在20%时，阻抗值下降约30%。因此，从设计原则来说，应在额定电流20%处使用铁氧体磁珠，切记。

在直流偏置下的阻抗-频率曲线

法拉第电磁感应原理是电磁学中的一个基本定律，当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，会在电路中产生感应电动势的现象。电感的工作原理就是基于法拉第电磁感应定律。当电流通过电感时，线圈中的磁场会发生变化，从而在电感中产生感应电动势。这个感应电动势会阻止电流的变化，并产生一个相反的电流，以保持电流的恒定。因此，电感可以有效地抑制低频噪声和干扰。

电感的滤波原理是把电能转换为磁能，而磁能会通过以下两种方式影响电路：一种方式是重新转换为电能，变现为噪声。一种方式是向外辐射，表现为电磁干扰EMI。即LC低频滤波器，是将干扰噪声进行反射，不能泄放到地平面上。因此，电感主要用在线路上解决传导噪声问题。

另，电感和电容组成的低通滤波器时，由于电感和电容都是储能器件，可能产生自激。

在电路设计中，电感主要有三大类应用：

功率电感：用于DCDC上的电压转换，通过积累并释放能量来保持连续的电流。

去耦电感：通常是共模电感或差模电感，用于滤除电源线或信号线上的噪声。

高频电感：用于射频电路，实现偏置、匹配、滤波等电路。

磁珠是将电能转换为热能（磁珠呈阻性频带内），不会对电路构成二次干扰，主要用在EMI及电源高频滤波上，像一些RF电路，PLL，震荡电路，含超高频存储器电路。

在磁珠厂家的官网上都有不同的分类和选型目录，例如：

1、顺络：叠层磁珠一般用（低速信号线用，高速信号线用，电源线用，高频噪声抑制用，音频磁珠）；绕线磁珠（高频噪声抑制用）；叠层磁珠车载用（低速信号线用，高速信号线用，电源线用）

2、麦捷微：通用磁珠和大电流磁珠；

3、风华高科：叠层片式铁氧体高频磁珠 (CBF)

                       叠层片式铁氧体音频磁珠（CBE)

                       叠层片式铁氧体超大电流磁珠(CBU)

                       叠层片式铁氧体超大电流磁珠(CBM)

                       叠层片式铁氧体大电流磁珠(CBW)

                       叠层片式铁氧体磁珠(CBG)

                       车规叠层片式铁氧体超大电流磁珠

                       车规叠层片式铁氧体大电流磁珠

4、TDK：一般等级信号线用（一般，150°，低直流电阻，高频噪声抑制，超高频噪声抑制）；

一般等级电源线用（一般，150°，低直流电阻，高频噪声抑制，超高频噪声抑制）；

车规等级信号线用（一般，150°，低直流电阻，高频噪声抑制，超高频噪声抑制）；

车规等级电源线用（一般，150°，低直流电阻，高频噪声抑制，超高频噪声抑制）

即：

从工艺上看有叠层磁珠和绕线磁珠之分；

从产品应用上看有一般等级和车规等级之分；

从电路使用上看有信号线用和电源线用之分，再着有普通、高频、超高频、低直流电阻之分。

所谓普通磁珠和高频磁珠，可参考如下阻抗-频率曲线，高频磁珠在1000MHz的阻抗值会比较高。

普通磁珠和高频磁珠

1、干扰噪声的频率或频段，要在磁珠的阻性区，而不是感性区或容性区。

2、考虑有用信号在磁珠阻抗-频率曲线上的阻抗值Z，过大的话，会导致有用信号幅度过低。

3、辐射上滤波某个频点的话，可选用尖峰型的磁珠。

1、要考虑线路上的工作电流值，直流偏置下的阻抗-频率曲线有变化，额定电流50%时，阻抗值下降了90%。

磁珠是通过阻性的发热来消耗干扰噪声的，如长时间在强干扰下，磁珠有可能过热烧毁。

2、要考虑线路上的峰值电流和磁珠的DCR值，过大的峰值电流和磁珠DCR，会导致磁珠上的压降过大，导致电压跌落。

3、尽量选在电源上使用的磁珠，其电流大、阻抗-频率曲线比较平缓。

4、电源线上使用磁珠，需要增加去耦电容。（磁珠的感性区会抑制线路上的电流）

例子1：某产品某IC上的电源3.3V使用磁珠隔离，额定电流200mA，某IC的最低电源不低于3.0V。

1、额定电流大于300以上，至少1/3降额以上。

2、DCR值：3.3V-3.0V=0.3V，0.3V/200mA=1.5欧姆，1/2降额计算,取DCR