电力电子技术与新能源微信公众号接下来会写个EMC的专题，从器件开始（磁珠，TVS，压敏电阻，气体放电管），然后EFT，surge，ESD，CS，CE，RS，RE每个写个子专题，今天先写第一篇：巧用磁珠提升电源EMI 能力，欢迎大家多多捧场。
EMC—巧用磁珠提升电源EMI能力
1 引言
过滤高频电源噪声并提供干净的电源供电轨（即为模拟IC 和数字IC 提供供电轨），同时在共享的供电轨之间保持高频隔离的一种有效方法是使用铁氧体磁珠。铁氧体磁珠是无源器件，可在宽频率范围内吸收高频噪声。它在目标频率范围内具有电阻特性，并以热量的形式耗散噪声能量。铁氧体磁珠与供电轨串联，而磁珠的两侧常与电容一起接地。这样便形成了一个π型低通滤波器网络，进一步降低高频电源噪声。然而，若系统设计中对铁氧体磁珠使用不当，则会产生不利影响。有一些例子可以说明：由于直流偏置电流引起磁珠磁芯的饱和，导致EMI 抑制能力下降；同时常用设计中常用磁珠和去耦电容的搭配形成低通滤波器，容易产生干扰谐振。因此正确理解并充分考虑铁氧体磁珠的特性后，这些问题便可以迎刃而解。本文将首先介绍片状铁氧体的构造，并对比片状铁氧体磁珠相比片状电感器在噪声抑制上的优点。其次，将讨论系统设计人员在电源系统中使用铁氧体磁珠时的注意事项，比如直流偏置电流变化时的阻抗与频率特性，以及磁珠与电容搭配使用形成的LC 谐振效应。最后，介绍一种阻尼设计方法来抑制LC 谐振效应，避免在谐振频率点上形成尖峰电压。
2 片状铁氧体磁珠构造
片状铁氧体磁珠通过叠层形成电感器的构造并做成贴片式的产品，图1 是其具有代表性内部结构。通过在铁氧体层之间组成导体线圈，并经过一体化加工煅烧形成立体的线圈结构。除了做成片状封装以外，通过将内部加工成线圈结构，可获得相比仅由一根导线穿过的引线型磁珠电感器更大的阻抗值。这一结构基本上与片状叠层电感器相同，但与电感器的不同之处在于铁氧体材料更适合于应对噪声抑制。图2 是片状铁氧体磁珠阻抗频率特性曲线。从图中可以看出，与电感器基本相同，它的阻抗也是随着频率的上升而增大，将其串联在电路中可以起到低频滤波器的作用。在普通电感器的阻抗值（Z）里，主要是电抗成分（X），而片状磁珠则由于采用了高频范围损耗较大的铁氧体材料，因此高频段中主要是电阻成分（R）。由于电抗成分不会产生损耗而电阻成分则会发热产生损耗，因此片状磁珠比起一般的电感器来说吸收噪声能量的性能更好，噪声抑制的效果也更好。
3 磁珠的选择
一般来说，片状铁氧体磁珠是以100MHz 的阻抗值来决定其规格的。但与此同时，也存在着诸多拥有相同阻抗值的不同产品，这是因为它们的曲线形状各不相同。如图3 所示。磁珠1 与磁珠2 都是100MHz 阻抗值为600Ω的片状铁氧体磁珠，但从它们的频率阻抗特性曲线形可以看出，相比磁珠1，磁珠2 在低频段的阻抗更大，而高频段阻抗更小，因此磁珠2 的曲线上升较为平缓，磁珠1 的曲线则呈急速上升的趋势。
由于磁珠2 上升曲线较为平稳，其从低频段范围开始阻抗就在增加，因此可以从低频到高频的较大范围内抑制噪声，但当信号频率较高时，则可能会出现信号频率同时衰减的情况。与此相比，曲线呈急速上升趋势的磁珠2 则因为阻抗仅在高频范围内增加，因此在高频区域能够在不对信号造成影响的情况下实现噪声抑制。由此可见，在选择片状铁氧体磁珠时应根据信号的频率以及想要抑制的噪声频率来进行考虑。举例说明，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100 欧姆，那么就应该选600 欧姆@100MHZ的磁珠，600 欧姆又是怎么算出来的？
4 磁珠的直流偏置特性
在电源应用中选择正确的铁氧体磁珠不仅需要考虑磁阻的阻抗频率特性，还需考虑磁珠在直流偏置电流下的影响。大部分情况下，制造商仅指定磁珠在100 MHz 的阻抗并公布零直流偏置电流时的阻抗频率特性曲线数据手册。然而，将铁氧体磁珠用作电源滤波时，通过磁珠的负载电流始终不为零，并且随着直流偏置电流从零开始增长，这些参数也会随之迅速改变，如图4 所示。随着直流偏置电流的增加，磁芯材料开始饱和，导致铁氧体磁珠电感大幅下降。所以如果在有大电流通过的电路进行使用时，可能无法达到预期的效果。在这种情况下，就需要充分考虑能承受额定电流应力型号的磁珠，或者在设计初期采用至少在额定电流约20%处的铁氧体磁珠。
5 磁珠与电容谐振效应
当铁氧体磁珠与去耦电容一同应用时，若产生谐振会引起系统的过冲和欠冲，如图5 所示。这个经常被忽视的效应很可能会损害系统性能，因为其可能会放大给定系统的纹波和噪声，而非进行衰减。这种现象很容易发生在阻抗曲线陡峭的铁氧体磁珠上。为了改善这种情况，可以采取与铁氧体磁珠串联放置一个阻尼电阻的方式。由于通过加入阻尼电阻，可以经由电阻吸收谐振能量，因此谐振会变小，从而降低过冲和欠冲，如图6所示。
但是，由于使用阻尼电阻会引起电压下降，所以需要注意电压峰值变低是否会发生问题。铁氧体磁珠的特质是阻抗频率曲线越陡峭，内部消耗越小，谐振越容易发生，而频率阻抗曲线越平缓，谐振越不容易发生，所以慎选频率阻抗曲线过于陡峭的铁氧体磁珠也可以防止过冲及欠冲。
6 结论
本文讨论了片状铁氧体磁珠的构造以及它与片状电感器之间的区别，突出片状铁氧体磁珠在噪声抑制上的特点。进一步分析路直流偏置电流对铁氧体磁珠特性的影响。过大的直流偏置电流可能会导致磁珠电感的大幅下降，降低磁珠的有效阻抗，削弱EMI 滤波能力，并给出额定电流20%处的磁珠选型方法，可保证供电轨上以直流偏置电流方式使用铁氧体磁珠时，电流不会导致铁氧体材料饱和以及产生电感的大幅变化。由于铁氧体磁珠是感性的，将其与去耦电容一同使用时应当非常谨慎。如果不谨慎，会在电路中产生干扰谐振，造成系统的过冲和欠冲。在本文最后提出的阻尼方法在磁珠支路串联阻尼电阻的方法，从而避免了干扰谐振。正确使用铁氧体磁珠可以高效而廉价地降低高频噪声和开关瞬变。
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