磁珠的选型
磁珠选型时应了解需要抑制的噪声频率范围,磁珠工作电路的额定电流,噪声回路的阻抗特性,磁珠应用电路的特性,应用环境,磁珠的封装。
01、磁珠的封装选型
根据磁珠的应用场景不同,选择合适封装的物料,可以合理降低成本,优化PCB设计,错误的封装选型,影响滤波性能的同时,还降低了电路的可靠性。
图1:贴片磁珠的封装尺寸图
通常磁珠的结构尺寸越大,承受的电流越大。考虑到磁珠制造工艺,及应用场合影响,高压大电流电源滤波通常使用插件磁珠、信号线、低电压小电流电源使用贴片磁珠。
图2:贴片叠层磁珠与绕线磁珠
图3:插件磁珠
02、磁珠的参数选型
磁珠参数的选择主要关注磁珠额定电流、直流阻抗(DCR)、阻抗频率曲线。
2.1、磁珠额定电流选择
磁珠规格书通常都会给出额定电流参数,正常使用时,电路工作电流不能超过磁珠的额定电流,否则可能烧坏磁珠。磁珠的额定电流是温升电流,一般指自我温升不超过20℃到40℃的电流,不同的厂家标注会有些差异。
厂家提供的磁珠阻抗频率曲线,一般是在很小偏置电流下测得,而电流对磁珠的阻抗影响很大。在通过大电流时,随着偏置电流的增大,磁性材料会出现饱和的特性,导致L降低,从而导致工作区域的偏移,会影响到噪声的抑制效果,磁珠阻抗随电流变化曲线如下图所示:
图4:磁珠阻抗随电流变化曲线
电感的饱和电流大家一定会关注,而磁珠的额定电流通常会大于饱和电流,造成即使在额定电流范围内使用,磁珠也会出现饱和的情况,阻抗频率曲线也会发生偏移。
2.2、磁珠的阻抗选择
磁珠的阻抗是噪声抑制的关键参数,怎样选择合适阻抗的磁珠容易被忽略。有时错误的认为阻抗越大越好,600ohm阻抗的磁珠一定比220ohm阻抗的磁珠噪声抑制效果好,其实并非如此。
正确选择合适阻抗的磁珠,应该查阅磁珠规格书上的阻抗曲线,并结合抑制噪声干扰的频点,选择在噪声频点阻抗较大的型号,而不是选择标称值阻抗大的型号。阻抗选择时还应考虑有用信号的衰减最小原则,对于抑制宽带噪声干扰的磁珠,还要考虑磁珠在一定频带内的阻抗。
图5:不同阻抗磁珠的频率曲线对比
【知识要点说明】:
开关电源产生的噪声通常是宽带噪声,电源上用选下图蓝色的,"矮胖型",更为平滑,频点宽,滤波效果更好。时钟信号产生的噪声通常是窄带噪声,信号线上用选下图绿色的,"瘦高型",对有用信号衰减小,对噪声频点衰减大。
图6:相同阻抗磁珠的频率曲线对比
2.3、直流电阻的选择
直流电阻对磁珠的滤波效果影响较小,直流电阻对磁珠的温升影响很大,磁珠的阻抗曲线与温升强相关。选择合适直流电阻的磁珠对滤波性能影响很大,实际应用中希望磁珠的直流电阻越小越好,阻抗则越大越好。由磁珠的制造工艺可知,磁珠阻抗越大则其直流电阻就越大。
图7:贴片磁珠规格参数列表
03、磁珠选型注意事项
3.1、额定电流的降额
磁珠的工作电流超过额定电流会损坏磁珠,磁珠实际工作电流接近额定电流,会降低磁珠抑制噪声的效果。磁珠额定电流的降额业界没有统一标准,强烈的推荐工作电流小于额定电流的70%。
3.2、磁珠分布电容的影响
磁珠自身的杂散电容降低了磁珠的高频滤波效果,磁珠的杂散电容与磁珠的制造工艺高度相关。对于应用于低频滤波的磁珠,杂散电容的影响几乎可以忽略,应用于高频滤波的磁珠,杂散电容的影响就很大。
图8:采用卧式的电极结构(分布电容大)
采用卧式电极结构,分布电容偏大,磁珠的自谐振点也相对偏低,高频滤波效果相对较差,下图是采用卧式电极结构磁珠的阻抗频率曲线。
图9:采用卧式的电极结构阻抗频率曲线
【重要知识点】:
滤波频段范围30MHz-750MHz,高频特性相对较差。
图10:采用立式的电极结构(分布电容小)
采用立式电极结构,分布电容相对较小,磁珠的自谐振点也相对偏高,高频滤波效果相对较好,下图是采用立式电极结构磁珠的阻抗频率曲线。
图11:采用卧式的电极结构阻抗频率曲线
【重要知识点】:
滤波频段范围30MHz-1000MHz,高频特性相对较高,磁珠的高频特性拓展到1GHz以后,通过工艺的改进也很难再大幅度的提升高频特性。
3.3、磁珠应用场景安全性
磁珠应用在不同场景下,除关注电气参数、降额要求之外。应用在高压大电流场景下的磁珠关注应力损坏、损伤引起的打火,起火的风险。
图12:贴片叠层磁珠
应用在高压大电流场合下,避免使用上图封装的贴片磁珠,上图封装磁珠在受到应力损伤、两端产生压差时很容易打火,引起高压部分起火,导致严重的安全问题。
图13:贴片非叠层磁珠
应用在高压大电流场合下,建议选择如图所示封装的贴片磁珠,或者选择插件磁珠,避免应力损伤时,大电流流过时产生高压打火,引起着火的安规问题。
【重要知识点】
应用在高压大电流场合下,优选插件磁珠,次选贴片磁珠。