一文掌握磁珠的工作原理、主要参数及应用选型

        磁珠是一种电感型EMI静噪滤波器，实物和电感很像，现在用的最多的是铁氧体磁珠（Ferrite Bead）。磁珠的单位是欧姆，根据型号的不同，可以抑制几MHz～几GHz的噪声，经常被用在信号线和电源线上（串联使用）。磁珠和电容、电感滤除噪声有很大不同，电容主要提供一个地阻抗路径（隔直通交），电感是将噪声反射出去（隔交通直）。

        磁珠的全称为铁氧体磁珠滤波器，是一种抗干扰元件，滤除高频噪声效果显著。磁珠有很高的电阻率和磁导率，它等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化。它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。

        磁珠的电路符号就是电感，但是型号上可以看出使用的是磁珠。在电路功能上，磁珠和电感是原理相同的，只是频率特性不同而已。

        磁珠的单位是欧姆，而不是亨特，这一点要特别注意。因为磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的，阻抗的单位也是欧姆。磁珠的DATASHEET上一般会提供频率和阻抗的特性曲线图，一般以100MHz 为标准，比如 600R@100MHz，意思就是在100MHz 频率的时候，磁珠的阻抗相当于600 欧姆。

        磁珠在电路中也是用得非常多的，下面是一些经常会看到的知识点（经验）：

1. 电感的单位是亨H，磁珠的单位是欧姆Ω；
2. 电感是储存能量的，磁珠是通过发热来消耗能量的；
3. 磁珠是用来吸收超高频信号，多用于信号回路及EMC对策。

        要理解这些，就需要知道磁珠的工作原理，而知道了磁珠的工作原理，这些也就是理所当然的事情了。

一 磁珠的工作原理

        总的来说，磁珠跟电感的原理基本是一样的，很多厂家也把磁珠归为电感一类。那么他们的区别在哪儿呢？

        先来看我们使用两者器件的目的：我们一般使用电感，总希望它是理想电感，损耗越小越好。而我们使用磁珠，就是要利用其损耗，来消掉我们不需要的高频分量。

        电感的损耗分为铜损和铁损，铜损指直流导通电阻，一般不会大。而铁损就是指磁芯损耗了，主要包括磁滞损耗和涡流损耗。而这两者主要与磁芯的材质种类有关。下面来看看磁珠是怎么利用磁滞损耗和涡流损耗来工作的。

        下面是最简单的磁珠模型：

        电流流过导线，会产生围绕导线的环形磁场，在导线上套上一个磁导率比较大的磁环，磁环内部就会有比较大的环形磁场B。如果电流是变化的，那么磁场B也是变化的。根据电磁感应定律，变化的磁场产生电场，并且这个电场是环形的电场。如上图所示，会在红色截面上产生环形的电场。这是如果磁环的电阻率不是无穷大，那么环形的电场就会产生环形的电流，也就是产生热量了，这个损耗叫涡流损耗。

        我们实际中常用的磁珠是上面这种贴片式结构的，一样也是会有涡流损耗，道理跟上面差不多。

二 磁珠的主要参数

1. 直流电阻DC Resistance(mohm)：直流电流通过此磁珠时，此磁珠所呈现的电阻值。
2. 额定电流Rated Current(mA)：表示磁珠正常工作时的最大允许电流。
3. 阻抗[Z]@100MHz(ohm)：这里所指的是交流阻抗。
4. 阻抗－频率特性：描述阻抗值随频率变化的曲线。
5. 电阻－频率特性：描述电阻值随频率变化的曲线。
6. 感抗－频率特性：描述感抗随频率变化的曲线。

        下图为某厂家磁珠特性参数及频率特性曲线：

        主要解释下：

        ① 阻抗|Z|：业界习惯，磁珠的阻抗由100MHz时的阻抗确定，所以我们经常在磁珠的SPEC里看到100R@100MHz，指的是在100MHz频率下，磁珠的阻抗是100R，阻抗越大，抑制噪声的效果越好，有一些高频磁珠给出的阻抗是在1GHz频率下。

        有一点需要注意，在100MHz时，磁珠的阻抗并不是最大的，所以在选型时可以根据噪声频点，选择频点附近阻抗最大的型号。100MHz在某种意义上只是一个标准，仅仅只是一个标准，个人觉得并没有太大的实际意义，因为磁珠在实际的应用中，随着频率的改变，阻抗会相应的发生变化。所以说，单点接地用磁珠的情况很少，需要提前评估噪声的频率范围。

        ② 直流电阻DCR：指直流电流通过磁珠时，磁珠呈现的电阻值，DCR一般越小越好，对有用信号的衰减越小。

        ③ 额定电流Rated Current：指磁珠正常工作时允许的最大电流。

三 磁珠的磁滞损耗

        磁芯在外磁场的作用下，材料中的一部分与外磁场方向相差不大的磁畴发生了‘弹性’转动，这就是说当外磁场去掉时，磁畴仍能恢复原来的方向；而另一部分磁畴要克服磁畴壁的摩擦发生刚性转动，即当外磁场去除时，磁畴仍保持磁化方向。因此磁化时，送到磁场的能量包含两部分：前者转为势能，即去掉外磁化电流时，磁场能量可以返回电路；而后者变为克服摩擦使磁芯发热消耗掉，这就是磁滞损耗。

        上图为典型的磁滞曲线，从前面磁滞损耗的理解来看。剩磁Br越小，那么磁畴的刚性转动越少，损耗就越小。或者说磁滞损耗正比于磁滞回线包围的面积。

        关于磁珠的损耗，我请教过相关电感生产厂家，磁滞损耗占大头。

        小结：其实，上面说的涡流损耗，磁滞损耗，电感的损耗也是这些。电感和磁珠，本质上没什么区别。电感和磁珠的曲线，其实是差不多的，都是倒“V”型的。

        只不过因为使用目的的不同，电感我们一般让其工作在感性区域，也就是远离谐振频率的频段，因此，它的单位是H。而磁珠工作在阻性区域，也就是谐振频率附近，因此他的单位是欧姆。或者这么说，电感和磁珠，如果用数学公式表示阻抗的话，都是Z=R+jX。电感，工作在X远大于R的频段，也就是X占大头，此时X主要是感抗，那么单位不就是亨了么。既然X分量占大头，R分量很小，因为只有R才能消耗能量，那就主要是储能的作用了。磁珠，主要工作在R大于X的频段，R占大头，那么单位不就是欧姆了么。因为X分量占小头，储能很少，所以我们说磁珠主要是通过发热消耗能量的。

四 磁珠的阻抗曲线

        下面是一个典型的磁珠的频率曲线，我们所看到的大多数厂家的磁珠规格书，曲线基本都是这样的。

        我们知道，Z表示阻抗，R表示电阻，X表示电抗。那么这三者是什么关系呢？它们应该满足公式：Z=R+jX。然而我们却发现，上图中，在频率比较大时，X=0，这样的话不应该Z=R吗？可是曲线又没有重合，这是为什么呢？到底是公式出了问题还是别的什么原因呢？曲线问题还是公式问题？

        先说结论：随着频率的增大，X会逐渐减小到0，此时对应频率为自谐振频率，后续随频率增大，X为负数，也就是呈容性，上面曲线是厂家没有画出自谐振频率之后的X而已，其并不等于0。

        上面这个结论，我并不是随口一说，我是有去查过的。

        前面的图对应的是TDK的MPZ1608B471ATA00（470欧@100MHz）磁珠曲线，图片是从这个规格书中截出来的。去其官网页面，也有这个磁珠的曲线，这是网址：

https://product.tdk.com/zh/search/emc/emc/beads/info?part_no=MPZ1608B471ATA00

        官网页面上面的频率曲线为下图，我直接把两种图放到一起对比下：

        可以看到，两者基本是一致的，只不过是网页中的曲线，画出了卸载频率之后的，也就是X为负数的那一部分。那么新的问题又产生了，为啥大部分厂家都不画出为负数的那一部分呢？这个问题我也不清楚，只能是猜测磁珠一般工作频率不会应用到那么高，画不画也就无所谓了，不过这个解释比较牵强。并且，我们如果上村田去查磁珠曲线，它们家的X都是正的，X应该是取得绝对值大小。

        下面来看看磁珠曲线是怎么来的吧。 

        磁珠的模型分为简单的模型和复杂的模型，简单的模型也可以从TDK网上下载出来，网址还是上面那个。

        我们在页面中点击“等效电路模型”，就可以得到磁珠的简易电路模型的pdf文档，以及该系列磁珠的各种参数。

        而根据这个模型，总的阻抗Z的表达式：

        化成实部和虚部的表达式就是：

        对应到Z=R +jX里面：

        MPZ1608B471ATA00的参数从pdf文档中知道：R1=470Ω，L1=8.6uH，C1=0.2583pF，R2=0.110Ω。编写Matlab代码：

C1=0.0000000000002583; %0.2583pF
L1=0.0000086; %8.6uH
R1=470; %470Ω
R2=0.11; %DCR:0.110Ω
f=[1000000:100000:10000000000];  %1Mhz-1Ghz
w=(f.*pi*2);
R=R2+(w.^2.*R1*L1^2)./((1-w.^2*L1*C1).^2*R1^2+w.^2*L1^2);
X=w.*L1*R1^2.*(1-w.^2*L1*C1)./((1-w.^2*L1*C1).^2*R1^2+w.^2*L1^2);
Z=(R.^2+X.^2).^0.5;
figure;
semilogx(f,Z,'g',f,X,'r',f,R,'b');
legend('Z','X','R');
grid on;
set(gca, 'XTickLabel' ,{'1M','10M','100M','1G','10G'});
xlabel('频率'), ylabel('|阻抗Ω|');
title '磁珠阻抗-频率曲线';
axis([1000000 10000000000 0 500]);

         我们使用Matlab画出曲线，并与规格书中曲线做对比，如下图：

        两者对比，规格书的原图与Matlab绘制的大致趋势是一样的，谐振频率也相同，不过总体形状还是差挺大的。那为什么会这样呢？

        这个磁珠的模型称为简易模型，既然是简易的，那就有更复杂的，复杂的我没找到具体的电路模型，但是TDK给出了SPICE NETLIST，我们可以看出一些端倪。分别下载下来简易模型和复杂模型的SPICE NETLIST（还是上面那个网址，在下载pdf的地方），使用txt分别打开文件。

        可以看到，简单模型里面只有C1，L1，R1，R2。而复杂模型就复杂多了，C有两个，L有7个，R有9个。可以想象到的是，复杂模型的各种寄生参数更多，也更符合实际的器件。料想规格书中的曲线应该是从复杂模型得出来的。

五 磁珠的等效模型

        磁珠的等效模型可以简化为一个电感和一个电阻串联，当然还会有DCR和寄生电容参数，在这里不作说明。

        电感和电阻都是频率的函数，所以磁珠的阻抗为Z=R+JWL，下图所示，箭头处对应的频率称之为交叉频率，有的叫转折频率。

        小于交叉频率，Z和XL几乎是重合的，此时的磁珠呈感性，小电感，此时反射噪声；大于交叉频率时，Z和R曲线几乎是重合的，此时磁珠呈电阻特性，大电阻，起吸收噪声并转变为热能的作用。交叉频率越大，磁珠呈现感性的频段越宽，对低频的吸收能力越弱，对高频的吸收能力越强。交叉频率越小，磁珠呈现感性的频段越窄，对低频的吸收能力越强，对高频的吸收能力越弱。

六 磁珠的直流重叠特性

        我们都知道在电容上加不同的直流电压，电容容量是会变化的。磁珠也有同样的直流重叠特性，片状铁氧体磁珠是一种使用铁氧体的电感器。因此，当大电流通过时，需要特别注意由于磁饱和所造成的性能改变。

        从上图可以看出，通过磁珠的电流增大时，其阻抗会下降，阻抗下降就意味着抑制噪声的性能会变差，电流减小时，阻抗又会变大，性能会复原。所以在选型时，我们要考虑好额定电流和阻抗这两个参数。 

七 磁珠和电感的相同点和不同点

1. 磁珠和电感的在电路中的符号是一样的，却是不一样的器件，磁珠单位是欧姆（Ω），电感单位是亨（H）。
2. 磁珠由氧磁体组成，电感由磁芯和线圈组成，磁珠把交流信号转化为热能，电感把交流存储起来，缓慢的释放出去，所以说电感是储能，而磁珠是能量转换(消耗)器件。
3. 磁珠和电感都可以解决EMC和EMI问题，但是侧重点不同。磁珠主要解决辐射干扰问题，信号线上多用磁珠，某一些高频电路如RF、振荡电路、DDR SDRAM等都需要在电源输入部分加磁珠。电感主要解决传导干扰问题，高频电感主要用于中低频滤波电路、RF匹配等，功率电感主要用于DC-DC电路中。

八 磁珠的分类及选型

（一）分类

        根据磁珠的应用场合，大致可将磁珠分为普通型、大电流型、尖峰型等。

普通型	普通型磁珠用于电流不太大（一般小于600mA），无特殊要求的场合，它的直流电阻一般为零点几个欧姆。能有效地抑制、吸收电子设备的电磁干扰和射频干扰。其阻抗范围一般为几欧到几千欧范围内。
大电流型	此型号磁珠应用于要求较大电流的场合，由于其应用于大电流的场合，因此就要求它的直流电阻必须很小，约小于普通型磁珠一个数量级，而其阻抗值一般也较小。
尖峰型	此型号的磁珠特性为在某一个频率区域内，其阻抗急剧上升，从而在特定的频率区域内可获得较高的衰减效果而对信号不产生影响。

（二）选型

        选择磁珠应考虑两方面：一是电路中噪声干扰的情况，二是需要通过的电流大小。

        要大概了解噪声的频率、强度，不同的磁珠的频率阻抗曲线是不同的，要选在噪声中心频率磁珠阻抗较高的那种。噪声干扰大的要选阻抗高一点的，但并不是阻抗越高越好，因为阻抗越高DCR也越高，对有用信号的衰减也越大。但一般也没有很明确的计算和选择的标准，主要看实际使用的效果，120R-600R之间都很常用。

        然后要看通过电流大小，如果用在电源线部分则要选额定电流较大的型号，用在信号线部分则一般额定电流要求不高。另外磁珠一般是阻抗越大额定电流越小。

        磁珠的选择要根据实际情况来进行。比如对于3.3V、300mA电源，要求3.3V不能低于3.0V，那么磁珠的直流电阻DCR就应该小于1R，这种情况一般选择0.5R，防止参数漂移。对噪声的抑制能力来说，如果要求对于100MHz的、300mVpp的噪声，经过磁珠以后达到50mVpp的水平，假设负载为45欧姆，那么就应该选225R@100MHz,DCR<1R的磁珠。

        225R又是怎么算出来的？(45ohm/50mV)*250mV=225ohm。

        但要注意的是，磁珠的阻抗在你加电压后和规格书上的有点差别。要正确的选择磁珠，必须注意以下几点：

1. 不需要的信号的频率范围为多少；
2. 噪声源是谁；
3. 需要多大的噪声衰减；
4. 环境条件是什么（温度，直流电压，结构强度）；
5. 电路和负载阻抗是多少；
6. 是否有空间在PCB板上放置磁珠。

（三）磁珠的选择考虑要素

1. 磁珠种类很多，制造商应提供技术指标说明，特别是磁珠的阻抗与频率关系的曲线。
2. 有的磁珠上有多个孔洞，用导线穿过可增加组件阻抗（穿过磁珠次数的平方），可采用多个磁珠串联的办法增加阻抗。
3. 铁氧体是磁性材料，会因通过电流过大而产生磁饱和，导磁率急剧下降。大电流滤波应采用结构上专门设计的磁珠，还要注意其散热措施。
4. 铁氧体磁珠不仅可用于电源电路中滤除高频噪声（可用于直流和交流输出），还可广泛应用于其它电路，其体积可以做得很小。特别是在数字电路中，由于脉冲信号含有频率很高的高次谐波，也是电路高频辐射的主要根源，可在这种场合发挥磁珠的作用。
5. 选择磁珠时需要注意磁珠的通流量，一般需要做降额处理，用在电源电路时要考虑直流阻抗对压降影响。

（四）磁珠选型注意事项

1. 分析有用信号和噪声的频率。噪声的频段要大于交叉频率，便于磁珠吸收噪声而不是反射噪声；信号的频率小于交叉频率，防止信号被衰减。
2. 考虑DCR的大小。直流电路中，防止DCR过大，导致信号衰减，比如5V 500mA的电源，经过一个DCR=1R的磁珠时，电压会衰减500mA*1R=0.5V。一般情况下，交流阻抗越大，滤除噪声好，但DCR也会大，对有用信号有衰减，所以这是一个权衡的过程。
3. 考虑额定电流的大小。不要为了省成本，而一味选择低额定电流的磁珠，考虑到直流重叠特性，随着电流的变大，阻抗下降，吸收噪声性能也会下降。举个例子，某电路大部分时间工作电流为300mA以下，最高会到400mA，但是很少，此时可以选择额定电流为400mA的磁珠。