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EMC元件之『贴片磁珠』

第2438期

EMC入门，反射和吸收噪声的贴片磁珠

无线LAN和蓝牙等近距离无线通信技术能让周围的电子设备轻松地进行无线数据收发。不过，电子设备发出的噪声干扰到内置天线时，通信就会断开，数据处理能力也会下降。面向5G和IoT社会的发展，噪声对策正变得愈发重要。

贴片磁珠利用了铁氧体独有的特性，将其串联到容易成为噪声源的传导线路中的话，就能制造出轻松去除噪声的元件。这种便利性被广泛运用在各种设备上。作为基板电路图设计的噪声对策，它非常有效。这种除噪元件既小型，又非常可靠。

数字信号的矩形(方形)波是各种频率成分的聚集

无论是多么复杂的周期性信号波，都由基本频率的正弦波及其整数倍的高谐波构成。它在数学上的明确证明，是19世纪法国数学家傅里叶所算出的傅里叶级数展开。用于解析信号波形的FFT（快速傅里叶转换）分析仪（频谱分析仪）就是利用了这个原理。用FFT分析仪来分析各种乐器声、人声等声音的频谱的话，就会发现它们是由基本波和高谐波构成的。

数字信号的矩形（方形）波也是由基本频率的正弦波及其奇数倍的高谐波构成的。波形的高低可以由数字信号的0或1表示，但在电子设备中，因为信号线中存在重叠噪声，矩形（方形）波的波形会紊乱，若无对策的话，就会产生各种恶劣影响。

信号线中有电流时，会产生磁感线。此外，信号线含有电阻成分，而信号线和地面间也存在看不见的电容器成分，称为浮游容量（存在电势差的2根导线间生成的静电容量）。信号线中存在这类电路图上没有标注的“隐藏元件”，因此即使输入信号是理想的矩形波，波形也会歪曲，变成弯弯扭扭的波浪形（振铃效应）。尤其是发信和收信端的阻抗（交流电路中的电阻）不足时，信号线交界处的信号会以反射波形式返回，导致电路运转故障，并变为噪声向周围辐射。

此外，在电路元件密度高的手机等设备里，元件自神辐射的噪声会干扰附近的内置天线，导致收信灵敏度降低。这就是所谓的“自身中毒”问题了。

贴片磁珠巧妙地利用了铁氧体的特性，常作为噪声问题简便而有效的对策。贴片磁珠的命名来自项链等首饰采用的圆珠。这是因为它们起初是采用导线贯穿中空铁氧体的方式制成的。此后，随着电子元件的小型化需求，铁氧体元件中采用了积层工艺等技术，用贴片磁珠来形成线圈构造。虽然不再是中空的构造了，但当初的“磁珠”名称却流传了下来。

贴片磁珠兼具电感器和电阻的性质

噪声和信号一样都是电能。为什么铁氧体的贴片磁珠能选择性地去除噪声成分呢？

噪声一般比信号的频率更高，因此在高频领域拥有高阻抗的贴片磁珠会选择性地作用于噪声，而忽视低频的信号，允许它原样通过。不过，贴片磁珠和LPF（低通滤波器）的区别在于，它兼具电感器和电阻的性质。在噪声频率相对较低的领域，贴片磁珠主要发挥电感器功能，以反射噪声的方式防止它。随着频率提高，阻抗也会提高，超过某个频率后，阻抗会急剧减小，噪声反射特性也会急剧减弱。这个频率称为自我共振频率。

此时，贴片磁珠的电感器作用改变，开始发挥电阻作用。也就是说，面对高频噪声时，电阻成分会吸收它，并转换为热量排出。贴片磁珠能够去除大频率区间内的噪声的原因就在于此。其功能切换时的频率为电阻成分（R=电阻）和电感器成分（X=电抗）相等的点，称为R-X交点。

选择贴片磁珠时重要的R-X交点

就像感冒药也需要对症下药一样，选择贴片磁珠时也要妥善考虑各种频率 - 阻抗特性。在贴片磁珠的使用方面，R-X交点非常重要。R-X交点在高频一侧的贴片磁珠主要表现出类似电感器的性质，R-X交点在低频一侧的片状磁珠主要发挥出类似电阻的功能。

虽然也取决于信号的频率，但一般来说，R-X交点越靠近低频侧，振铃等效应就越少，就能更有效地修正波形的歪曲。不过，选择时需要注意不要让需要的信号衰减。另外，直流电阻高的话，消耗的电力也大，且信号强度会降低，因此直流电阻需要尽可能的低。

可应对GHz频带噪声的Gigaspira结构的贴片磁珠

铁氧体磁珠凭借积层工艺实现了片状和小型化，但随着电子设备的高频化，新的问题又浮现了出来。这便是端口电极和螺旋状内部电极间的浮游容量，对元件的性能提升造成妨碍的问题。由于在大频率范围内都具有高阻抗，铁氧体磁珠成为了对抗噪声的简便而有效的元件，但在高频领域，电极间的浮游容量会降低阻抗。

作为该问题的解决办法，人们引入了积层贴片电感器中也用到了的吉格斯结构的贴片磁珠。以前，贴片磁珠的内部导体螺旋在积层时与电极方向垂直，而这种新工艺的积层方向则与电极相同。这样一来，端口电极和内部电极间的浮游容量得到了显著抑制，直到GHz的范围内都能轻松应对，实现了泛用而出色的性能。

来源：TDK官网

来源：电磁兼容之家

现代工业中电能质量与电磁干扰控制 -171页

现代工业中电能质量与电磁干扰控制第2435期来源：电磁兼容之家