片式铁氧体磁珠简介

1.1 片式铁氧体磁珠是1种获得广泛应用的物美价廉的EMI对策元件，在EMI对策中占有重要的位置。

1.2片式铁氧体磁珠的基本特性

片式铁氧体磁珠的结构和等效电路。实质上它就是1个叠层型片式电感器,是由铁氧体磁性材料与导体线圈组成的叠层型独石结构。由于是在高温下烧结而成,因而致密性好、可靠性高。两端的电极由银/镍/焊锡3层构成,可满足再流焊和波峰焊的要求。

在等效电路中，R代表由于铁氧体材料的损耗(主要是磁损耗)以及导体线圈的殴姆损耗而引起的等效电阻;C是导体线圈的寄生电容。等效电路的阻抗Z可以表达为Z=R＋jX,其中X是电抗，Z、R、X都是频率f的函数。片式铁氧体磁珠的|Z|、R、X随频率f变化的典型曲线。从这些曲线可以看出：|Z|、R、X随频率的提高而上升，直至由寄生电容C引起的自谐振频率X迅速下降，并由感性转为容性。在自谐振频率处,|Z|达到最大值。利用铁氧体磁珠|Z|～f曲线的特征,可以达到让低频信号通过而同时抑制高频噪声的目的。值得注意的是,高频噪声的能量是通过铁氧体磁矩与晶格的耦合而转变为热能散发出去的,并非将噪声导入地或阻挡回去,如旁路电容器那样。因而，在电路中安装铁氧体磁珠时,不需要为它设置接地点。这是铁氧体磁珠的突出优点之一。

片式铁氧体磁珠的外形尺寸与公差符合EIA/EIAJ片式元件标准,有3216(1206)、2012(0805)、1608(0603)、1005(0402)和0603(0201)等几种规格,目前的主流尺寸为1608和1005,有可能几年之后发展到0603(0.6mm×0.3mm)。从阻抗特性及其应用来看,片式铁氧体磁珠可以分成几类,应用于不同的场合,本文将分别予以介绍。

我国片式铁氧体磁珠的生产技术已经达到国际一流水平,品种规格齐全,性能优良,年生产能力超过40亿只。著名生产厂家有深圳南虹电子陶瓷公司、清华同方鲁颖公司等;国外的公司有AEM、TDK、Murata、Taiyoyuden等。

1.3片式铁氧体磁珠的分类及应用

1.3.1通用型片式铁氧体磁珠

这是应用最为广泛的1类EMI对策元件,其典型的阻抗～频率特性曲线。生产厂家一般提供100MHz时的阻抗|Z|、直流电阻和额定电流等数据。例如,表1就是深圳南虹公司生产的BG1005系列通用型片式铁氧体磁珠的数据。同时,生产厂家还必须提供|Z|～f曲线。在选用时,主要依据其|Z|～f曲线的特征。不同的片式铁氧体磁珠，其阻抗|Z|随频率的上升趋势是不相同的。选择原则是:在有用的信号频率范围内|Z|尽可能低,不致造成信号的衰减和畸变;而在需要抑制的电磁骚扰高频范围内,|Z|尽可能高,将高频噪声有效抑制,同时还要考虑其直流电阻和额定电流。

表1 BG1005系列通用型片式铁氧体磁珠的电气

型号 阻抗/Ω（±25％） 测试频率/MHz 直流电阻/Ω(max) 额定电流/mA(max)
BGL1005A050H 5 100 0.05 500
BGL1005A070H 7 100 0.05 500
BGL1005A110H 11 100 0.05 500
BGL1005A190H 19 100 0.05 300
BGL1005A310H 31 100 0.25 300
BGL1005A600H 60 100 0.4 200
BGL1005A800H 80 100 0.4 200
BGL1005A12IH 120 100 0.5 150
BGL1005A18IH 180 100 0.6 150
BGL1005A30IH 300 100 0.8 100
BGL1005A50IH 500 100 1.2 100
BGL1005A60IH 600 100 1.5 100

1.3.2大电流型片式铁氧体磁珠

片式铁氧体磁珠所能承受的额定电流与其材料和结构有关,如表1所示,对于通用型1005规格片式铁氧体磁珠而言,当其100MHz的阻抗为15Ω时,额定电流可以达到500mA,当阻抗提高到150Ω时,额定电流下降到150mA;100MHz时阻抗为150Ω的1005、1608、20123种规格的通用型片式铁氧体磁珠的额定电流分别为150mA、200mA、800mA。如果超过额定电流将会出现两个问题:一是由于偏置电流过大,使铁氧体接近饱和,导磁率下降,以致抑制高频噪声的效果明显减弱,如图3所示;二是导致消耗电能,对于用电池驱动的便携式电子产品来说,这是不能允许的。然而在某些场合,必须要求片式铁氧体磁珠能够承受较大的电流。例如,安装在DC电源输出端口的片式铁氧体磁珠,必须在通过大的DC电流的同时能够有效地抑制DC电源中产生的高次谐波分量,即片式铁氧体磁珠必须在大的偏置磁场下对高频信号仍然保持较高的阻抗值。在现代数字电子产品的电源电路、USB电源线及DVD等电子产品的激光束驱动电路中都会遇到这样的问题。

为此,生产厂家开发了大电流型片式铁氧体磁珠,额定电流几乎提高了1个数量级。如深圳南虹的MBW系列产品中的1608规格,当其100MHz阻抗为150Ω时,其额定电流高达3500mA。

1.3.3低DC电阻型片式铁氧体磁珠

在某些情况下,要求片式铁氧体磁珠的DC电阻越小越好。例如,所有电池驱动的便携式电子产品都要求减少电阻延长电池的使用时间;随着高速数字电路的发展,IC电源的功率消耗增加,所以在IC电源线中插入的片式铁氧体磁珠必须是低DC电阻型;IC及半导体器件的工作电压逐步下降,这也要求片式铁氧体磁珠的DC电阻下降;另外,片式铁氧体磁珠的DC电阻会引起热噪声,在某些电路中是不允许的。

为了解决上述问题,近年来生产厂家提高了材料的导电性,优化了导体线圈的结构设计,从而大大降低了片式铁氧体磁珠的DC电阻。现在已经有DC电阻低于0.01Ω的片式铁氧体磁珠面市,供用户选择。

1.3.4 GHz高频型片式铁氧体磁珠

数字电路高速化的发展趋势非常强劲，时钟频率越来越高。这样,一方面将电磁干扰的频率范围向高频段扩展,直至2GHz～3GHz;另一方面,由于高速数字信号的脉冲波形更加陡峭,以致基波频率提高,为了使这样的信号通过片式铁氧体磁珠后波形不发生畸变,就要求它对3次谐波乃至5次谐波不产生大的损耗。这就意味着装入高速数字电路的片式铁氧体磁珠在几百MHz(例如400MHz)以下的频段内保持低阻抗|Z|,以致不引起信号波形的畸变;而在几百MHz至2GHz～3GHz的高频段内具有高阻抗|Z|,能够有效地抑制高频电磁干扰。

为了满足上述要求,生产厂家努力开发出一些GHz高频型片式铁氧体磁珠。清华大学材料系周济教授带领的科研组开发成功低温烧结Z型6角晶系铁氧体材料,用这种材料做出了此类GHz高频型片式铁氧体磁珠,并已在山东清华同方鲁颖公司试产。

1.3.5尖峰型片式铁氧体磁珠

一些电子产品有时会在某一固定的频率下出现强烈的干扰信号。出现这种现象的原因很多,例如高次谐波、自激振荡或外界干扰等。由于这样的干扰信号出现在固定的频率下,幅度很大,用普通的EMI对策元件很难抑制。针对这种情况,生产厂家开发了1种称之为尖峰型片式铁氧体磁珠的产品,其|Z|～f曲线如图6所示。在某一频率下,阻抗|Z|呈现尖锐的峰值。显然,如果尖峰型片式铁氧体磁珠的阻抗|Z|呈现尖锐峰值的频率与干扰信号的频率重合,那么就能够将这个幅度很高的强烈干扰有效抑制。值得提出的是，不同电子产品出现这样的干扰信号的频率是不相同的,因此,最好根据产品的具体情况(干扰信号的频率、频带、幅度等)向片式铁氧体磁珠生产厂家专项订购,才能达到满意的效果。

1.3.6片式铁氧体磁珠阵列(磁珠排)

将几个(一般是2个、4个、6个、8个)铁氧体磁珠并列封装在一起,构成1个集成型片式EMI对策元件,称之为片式铁氧体磁珠阵列或磁珠排,其外观和等效电路如图7所示。例如南虹的BMA2010型就是将4个磁珠并列封装在2.0mm×1.0mm尺寸的外壳内,其中每1线的性能与单个磁珠相同。如果需要,上述的几类片式铁氧体磁珠均可做成阵列元件。在电子产品中的某些有排线的部位,如I/O排线,使用这种阵列式元件非常方便,既能节省PCB的占用面积,又能提高贴装速度。