带通滤波器中心频率计算公式中R是哪个值_磁珠及其在开关电源中的应用

1 引言

由于电磁兼容的迫切要求，电磁干扰(EMI)抑制元件被广泛使用。然而，实际应用中的电磁兼容性问题非常复杂。仅仅依靠理论知识是不够的。它更依赖于大多数电子工程师的实践经验。为了更好地解决电子产品的电磁兼容性问题，还应考虑接地、电路和PCB板材设计、电缆设计、屏蔽设计等问题。本文介绍了磁珠在开关电源电磁兼容设计中的重要性和应用，为设计者在设计新产品时提供必要的参考。

2 磁珠及其工作原理

磁珠的主要原料是铁氧体。铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。铁氧体材料为铁镁合金或铁镍合金。其制造工艺和机械性能与陶瓷相似，颜色为灰黑色。电磁干扰滤波器中常用的一种磁芯是铁氧体材料，很多厂家都提供专门用于电磁干扰抑制的铁氧体材料。该材料具有高频损耗大、导磁率高的特点，能使电感线圈绕组在高频高阻条件下产生的电容最小化。铁氧体材料通常用于高频，因为它们在低频时主要具有电感特性，损耗很小。在高频情况下，它们主要呈现电抗特性，并随频率而变化。在实际应用中，铁氧体材料被用作射频电路的高频衰减器。事实上，铁氧体可以更好地等同于电阻和电感并联，低频电阻短路，高频电感阻抗变得相当高，使所有电流都通过电阻。铁氧体是一种由其电阻特性决定的高频能量转化为热能的消耗装置。

磁导率和饱和磁通密度是抑制电磁干扰的最重要的性能参数。随着频率的增加，磁导率可以表示为复数，实数部分构成电感，虚数部分代表损耗。因此，其等效电路是由电感L和电阻R组成的串联电路，如图1所示，电感L和电阻R都是频率函数。当导线穿过铁氧体磁芯时，电感阻抗的形式随频率的增加而增加，但其机制在不同频率下完全不同。

在高频段，阻抗主要由电阻成分组成。随着频率的增加，磁芯的磁导率降低，导致电感和感抗成分的电感减少。然而，当磁芯损失增加时，

当高频信号通过铁氧体时，电磁干扰被吸收并转化为热能。在低频段，阻抗主要由电感阻抗组成。低频时R很小，磁芯磁导率高。因此，电感量大，电感L起主要作用。电磁干扰被反射和抑制。此时，磁芯损耗较小。整个设备具有低损耗、高质量因素的Q特性，容易引起谐振，因此在低频段使用铁氧体磁珠后可能会出现干扰增强。

磁珠有很多种。制造商将提供技术指标说明，特别是磁珠的阻抗和频率关系曲线。有些磁珠上有多个孔。通过导线可以增加元件阻抗（通过磁珠次数的平方米）。然而，高频时增加的抑制噪声能力可能不如预期。可采用多串联磁珠的方法。

值得注意的是，高频噪声的能量通过铁氧体磁矩与晶格的耦合转化为热能，而不是像旁路电容器一样导入或阻挡噪声。因此，在电路中安装铁氧体磁珠时，无需设置接地点。这是铁氧体磁珠的突出优点。

3 磁珠和电感

3.1 磁珠和电感的区别

磁珠由氧磁体组成，电感由磁芯和线圈组成。磁珠将交流信号转换为热能，电感存储交流并缓慢释放。因此，电感是储能元件，磁珠是能量转换（消耗）器件。电感主要用于电源滤波电路，磁珠主要用于信号电路，磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰，而电感主要用于抑制传导干扰。两者都可以用来处理EMC、EMI问题。例如，一些磁珠用于吸收超高频信号RF电路、PLL、振荡电路包括超高频存储电路(DDR SDRAM，RAMBUS等)需要在电源输入部分源输入部分添加磁珠，而电感是一种用于电源输入的蓄能元件LC振荡电路、中低频滤波电路等，其应用频率很少超过50MHZ。地面连接一般采用电感，电源连接也采用电感，磁珠常用于信号线。

3.2 片式磁珠和片式电感

3.2.1 片式电感

电子设备PCB感性元件和板电路将大量使用EMI包括片式电感和片式磁珠的滤波器元件。要求电感实现以下两个基本功能：电路谐振和扼流电抗。谐振电路包括谐振电路、振荡电路、时钟电路、脉冲电路、波形电路等。谐振电路还包括高Q带滤波器电路。要使电路谐振，电容和电感必须同时存在于电路中。寄生电容存在于电感的两端，这是由于两个电极之间的铁氧体本体相当于电容介质。在谐振电路中，电感必须具有高质量的因素Q，只有电感偏差窄，温度系数稳定，才能满足谐振电路窄带和低频温度漂移的要求。高Q电路具有尖锐的谐振峰值。窄电感偏置确保谐振频率偏差尽可能小。稳定的温度系数确保谐振频率具有稳定的温度变化特性。标准的径向引出电感和轴向引出电感以及片式电感的差异仅仅在于封装不一样。电感结构包括在介质材料(通常是氧化铝陶瓷材料)上绕线圈，或在空心线圈和铁磁材料上绕线圈。电感的主要参数是直流电阻(DCR，在无交流信号的情况下，电阻)、额定电流和低Q值。当用作滤波器时，需要宽带宽特性，因此不需要高Q特性和低直流电阻(DCR)最小电压降可以保证。

3.2.2 片式磁珠

片式磁珠是一种应用迅速、发展迅速的抗干扰元件，价格低廉、易用，具有显著的高频噪声过滤效果。片式磁珠由软磁铁氧体材料组成。片式铁氧体磁珠的结构和等效电路如图2所示。本质上，它是一个由铁氧体磁性材料和导体线圈组成的叠层单石结构。它具有致密性好、可靠性高好、可靠性高的优点。两端电极由银/镍/焊锡三层组成，可满足再流焊和波峰焊的要求。在图2所示的等效电路中，R代表铁氧体材料损失(主要是磁损失)和导体线圈欧盟损失造成的等效电阻，C寄生电容器是导体线圈。

片式磁珠的功能主要是消除传输线结构中存在的(PCB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。直流成分是所需的有用信号，而射频RF能量是无用的电磁干扰沿线传输和辐射(EMI)。为了消除这些不必要的信号能量，使用片状磁珠作为高频电阻（衰减器），允许直流信号通过，并过滤交流信号。通常高频信号是30MHz但低频信号也会受到片式磁珠的影响。

片式磁珠不仅具有小型化、轻量化的优点，而且在射频噪声频率范围内具有高阻抗性，可以消除传输线中的电磁干扰。片式磁珠能够降低直流电阻，以免对有用信号产生过大的衰减。片式磁珠还具有明显的高频特性和阻抗特性，可以更好地消除RF能量。寄生振荡也可以在高频放大电路中消除。有几个有效的工作MHz到几百MHz频率范围内。

片式磁珠在过大的直流电压下会影响阻抗特性。此外，如果工作温度升高过高或外部磁场过大，磁珠的阻抗将受到不利影响。

3.2.3 使用片式电感和片式磁珠

是使用片式磁珠还是片式电感主要在于应用。在谐振电路中，需要使用片式电感来消除不必要的电感EMI使用片式磁珠是噪音的最佳选择。片式电感的应用主要包括： 射频(RF)与无线通信、信息技术设备、雷达检波器、汽车电子、蜂窝电话、寻呼机、音频设备、PDAs(个人数字助理)，无线遥控系统以及低压供电模块等。片式磁珠的应用主要有： 模拟电路与数字电路之间的滤波，I/O内部连接器(如串口、并口、键盘、鼠标、长途电信、本地局域网等)的输入/输出(RF)在电路导干扰、计算机、打印机、录像机、电视系统计算机、打印机、录像机、电视系统和便携式电话EMI噪声抑止。

4 磁珠的选择与应用

由于铁氧体磁珠在电路中的使用可以增加高频损耗而不引入直流损耗，而且体积小，容易安装在范围内的导线或导线上，对于1MHz上述噪声信号抑制效果非常明显，可用于高频电路的去耦、滤波和寄生振荡抑制。特别是对开关设备引起的电流突变和滤波电源线或其他导线引入电路的高频噪声干扰有明显的影响。低阻抗电源电路、谐振电路、丙类功率放大器、可控硅开关电路等，使用铁氧体磁珠进行滤波非常有效。铁氧体磁珠一般可分为电阻和电感两类，使用时可根据需要选择。单个磁珠的阻抗通常是10到数百欧姆。如果一个衰减不够，可以串联使用多个磁珠，但通常三个以上的效果不会显著增加[7]。如图3所示，由两个电感铁氧体磁珠组成的高频LC滤波器电路能有效吸收高频振荡器产生的振荡信号而不跳入负载，不降低负载上的直流电压。

由于任何传输线路都不可避免地存在导线电阻、导线电感和杂散电容，标准脉冲信号经过长传输线后容易产生冲击和铃声振动。大量实验表明，引线电阻可以降低脉冲的平均振幅，而引线电感和杂散电容的存在是上冲和振铃的根本原因。在脉冲前沿上升时间相同的情况下，引线电感越大，上冲和振铃现象越严重，杂散电容越大，波形上升时间越长，引线电阻的增加会降低脉冲振幅。在实际电路中，串联电阻可以用来减少和抑制上冲和振铃。图4显示了使用电阻铁氧体磁珠来消除两个快速逻辑门之间长期传输引起的振铃。

铁氧体抑制元件也广泛应用于印刷电路板、电源线和数据线。如果在印刷板的电源线入口处加入铁氧体磁珠，可以过滤掉高频干扰。铁氧体磁环或磁珠专门用于抑制信号线和电源线上的高频干扰和尖峰干扰，也能吸收静电放电脉冲干扰。两个元件的值与磁珠的长度成正比，磁珠的长度对抑制效果有明显影响，磁珠的长度越长，抑制效果越好。

普通滤波器由无损电抗元件组成。它在线路中的作用是将阻带频率反射回信号源，因此这种滤波器也被称为反射滤波器。当反射滤波器与信号源阻抗不匹配时，部分能量会反射回信号源，干扰电源的增强。为解决这一弊病，可在滤波器的进线上使用铁氧体磁环或磁珠套，利用磁环或磁珠对高频信号的涡流损耗，把高频成分转化为热损耗。因此磁环和磁珠实际上对高频成分起吸收作用，所以有时也称之为吸收滤波器。

不同的铁氧体抑制元件，有不同的最佳抑制频率范围。通常磁导率越高，抑制的频率就越低。此外，铁氧体的体积越大，抑制效果越好。在体积一定时，长而细的形状比短而粗的抑制效果好，内径越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情况下，还存在铁氧体饱和的问题，抑制元件横截面越大，越不易饱和，可承受的偏流越大。

EMI吸收磁环/磁珠抑制差模干扰时，通过它的电流值正比于其体积，两者失调造成饱和，降低了元件性能；抑制共模干扰时，将电源的两根线(正负)同时穿过一个磁环，有效信号为差模信号，EMI吸收磁环/磁珠对其没有任何影响，而对于共模信号则会表现出较大的电感量。磁环的使用中还有一个较好的方法是让穿过的磁环的导线反复绕几下，以增加电感量。可以根据它对电磁干扰的抑制原理，合理使用它的抑制作用。

铁氧体抑制元件应当安装在靠近干扰源的地方。对于输入/输出电路，应尽量靠近屏蔽壳的进、出口处。对铁氧体磁环和磁珠构成的吸收滤波器，除了应选用高磁导率的有耗材料外，还要注意它的应用场合。它们在线路中对高频成分所呈现的电阻大约是十至几百欧姆，因此它在高阻抗电路中的作用并不明显，相反，在低阻抗电路(如功率分配、电源或射频电路)中使用将非常有效。

5 结论

近年来，由于电磁兼容的迫切要求，铁氧体磁珠得到了广泛的应用，尤其是片式铁氧体磁珠。在各种现代电子产品中，为了达到电磁兼容的要求，几乎都采用了这类元件。但值得注意的是，这类元件品种繁多，性能各异，不像阻容元件那样的系列化、标准化，所以，必须全面了解各种铁氧体磁珠的特性，并根据实际情况，恰当的选择与使用这些元件才能收到满意的效果。