鐵氧體磁珠揭秘
簡(jiǎn)介
過濾高頻電源噪聲并干凈地分享相似電源供電軌（即混合信號(hào)IC 的模擬和數(shù)字供電軌），同時(shí)在共享的供電軌之間保持高頻隔離的一種有效方法是使用鐵氧體磁珠。鐵氧體磁珠是無源器件，可在寬頻率范圍內(nèi)過濾高頻噪聲。它在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)具有電阻特性，并以熱量的形式耗散噪聲能量。鐵氧體磁珠與供電軌串聯(lián)，而磁珠的兩側(cè)常與電容一起接地。這樣便形成了一個(gè)低通濾波器網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步降低高頻電源噪聲。
然而，若系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)鐵氧體磁珠使用不當(dāng)，則會(huì)產(chǎn)生不利影響。有一些例子可以說明：由于磁珠和去耦電容搭配用于低通濾波而導(dǎo)致產(chǎn)生干擾諧振；直流偏置電流的依賴性導(dǎo)致磁珠的EMI 抑制能力下降。正確理解并充分考慮鐵氧體磁珠的特性后，這些問題是可以避免的。
本文討論系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在電源系統(tǒng)中使用鐵氧體磁珠時(shí)的注意事項(xiàng)，比如直流偏置電流變化時(shí)的阻抗與頻率特性，以及干擾LC 諧振效應(yīng)。最后，為了解決干擾諧振問題，介紹了阻尼技術(shù)，并比較了各項(xiàng)阻尼方法的有效性。為演示鐵氧體磁珠作為輸出濾波器影響而采用的器件是一款2 A/1.2 A DC-DC 開關(guān)調(diào)節(jié)器，具有獨(dú)立的正輸出和負(fù)輸出(ADP5071)。文中所用的鐵氧體磁珠主要采用芯片類型表貼封裝。
鐵氧體磁珠簡(jiǎn)化模型與仿真
鐵氧體磁珠能夠建模為一個(gè)由電阻、電感和電容組成的簡(jiǎn)化電路，如圖 1a 所示。RDC對(duì)應(yīng)磁珠的直流電阻。CPAR、LBEAD和 RAC分別表示寄生電容、磁珠電感和與磁珠有關(guān)的交流電阻（交流磁芯損耗）。
鐵氧體磁珠可依據(jù)三個(gè)響應(yīng)區(qū)域分類：感性、阻性和容性。查看 ZRX 曲線便可確定這些區(qū)域（如圖 1b 所示），其中 Z 表示阻抗、R 表示電阻、X 表示磁珠的電抗。為了降低高頻噪聲，磁珠必須處于阻性區(qū)域內(nèi)；電磁干擾 (EMI) 濾波應(yīng)用尤其需注意這一點(diǎn)。該元件用作電阻，可阻止高頻噪聲并以熱量的形式耗散。阻性區(qū)域出現(xiàn)在磁珠交越頻率 (X = R) 之后，直至磁珠變?yōu)槿菪缘哪且稽c(diǎn)為止。此容性點(diǎn)位置為容性電抗 (–X) 絕對(duì)值等于R 的頻率處。
某些情況下，簡(jiǎn)化電路模型可用來近似計(jì)算鐵氧體磁珠高達(dá)sub-GHz 范圍的阻抗特性。
圖 1. (a) 簡(jiǎn)化電路模型 (b) 采用 Tyco Electronics BMB2A1000LN2 測(cè)量的 ZRX 曲線
本文以 Tyco Electronics BMB2A1000LN2 多層鐵氧體磁珠為例。圖 1b 顯示了在零直流偏置電流條件下使用阻抗分析儀測(cè)得的BMB2A1000LN2 ZRX 響應(yīng)。在測(cè)得的 ZRX 曲線上，磁珠表現(xiàn)出最大感性特性特性（Z ≈ XL；LBEAD）的區(qū)域中，該磁珠的電感可根據(jù)下列公式計(jì)算：
其中：
f 是區(qū)域內(nèi)磁珠表現(xiàn)為感性的任意頻率點(diǎn)。本例中，f = 30.7 MHz。XL是 30.7 MHz 時(shí)的電抗，數(shù)值為 233 ?。
在磁珠表現(xiàn)出最大容性特性（Z ≈ |XC|；CPAR）的區(qū)域中，寄生電容可根據(jù)下列公式計(jì)算：
其中：
f 是區(qū)域內(nèi)磁珠表現(xiàn)為容性的任意頻率點(diǎn)。本例中，f = 803 MHz|XC|是 803 MHz 時(shí)的電抗，數(shù)值為 118.1 Ω。由公式 2 得出的寄生電容值 (CPAR) 等于 1.678 pF。
根據(jù)制造商的數(shù)據(jù)手冊(cè)，直流電阻 (RDC) 等于 300 m?。交流電阻 (RAC) 是磁珠表現(xiàn)為純阻性時(shí)的峰值阻抗。從 Z 中減去 RDC即可得出 RAC。由于相比峰值阻抗，RDC極小，因而可以忽略。因此，本例中 RAC等于 1.082 k?。使用ADIsimPE電路仿真工具（由 SIMetrix/SIMPLIS 供電）生成阻抗與頻率響應(yīng)的關(guān)系。圖2a 顯示了電路仿真模型，并提供計(jì)算值；圖 2b 顯示了實(shí)際測(cè)量結(jié)果以及仿真結(jié)果。本例中，從電路仿真模型得出的阻抗曲線與測(cè)量曲線嚴(yán)格匹配。
在噪聲濾波電路設(shè)計(jì)和分析中，采用鐵氧體磁珠模型很有幫助。例如，當(dāng)與去耦電容一同組成低通濾波器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，對(duì)電感進(jìn)行近似計(jì)算對(duì)于決定諧振頻率截止很有幫助。然而，本文中的電路模型是零直流偏置電流情況下的近似。此模型可能隨直流偏置電流的變化而改變，而在其他情況下可能需要采用更復(fù)雜的模型。
直流偏置電流考慮因素
為電源應(yīng)用選擇正確的鐵氧體磁珠不僅需要考慮濾波器帶寬，還需考慮磁珠相對(duì)于直流偏置電流的阻抗特性。大部分情況下，制造商僅指定磁珠在 100 MHz 的阻抗并公布零直流偏置電流時(shí)的頻率響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)手冊(cè)。然而，將鐵氧體磁珠用作電源濾波時(shí)，通過磁珠的負(fù)載電流始終不為零，并且隨著直流偏置電流從零開始增長(zhǎng)，這些參數(shù)也會(huì)隨之迅速改變。
圖 2. (a) 電路仿真模型 (b) 實(shí)際測(cè)量結(jié)果與仿真測(cè)量結(jié)果。
隨著直流偏置電流的增加，磁芯材料開始飽和，導(dǎo)致鐵氧體磁珠電感大幅下降。電感飽和度根據(jù)組件磁芯所用的材料而有所不同。圖 3a 顯示了兩個(gè)鐵氧體磁珠的典型直流偏置依賴情況。額定電流為 50%時(shí)，電感最多下降 90%。
圖 3. (a) 直流偏置對(duì)磁珠電感的影響以及相對(duì)于直流偏置電流的曲線 (b) 采用 TDK MPZ1608S101A 磁珠 (c) 采用 Würth Elektronik 742 792 510 磁珠。如需高效過濾電源噪聲，則就設(shè)計(jì)原則來說，應(yīng)在額定直流電流約 20%處使用鐵氧體磁珠。如這兩個(gè)示例所示，在額定電流20%處，電感下降至約 30%（6 A 磁珠）以及約 15%（3 A 磁珠）。鐵氧體磁珠的電流額定值是器件在指定升溫情況下可承受的最大電流值，并非供濾波使用的真實(shí)工作點(diǎn)。
此外，直流偏置電流的效果可通過頻率范圍內(nèi)阻抗值的減少而觀察到，進(jìn)而降低鐵氧體磁珠的有效性和消除 EMI 的能力。圖3b和圖 3c顯示了鐵氧體磁珠阻抗如何隨直流偏置電流的變化而改變。只需施加額定電流的 50%，100 MHz 時(shí)的有效阻抗就會(huì)從 100 Ω 大幅下降至 10 Ω（TDK MPZ1608S101A，100 Ω，3 A，
0603），以及從 70 Ω 下降至 15 Ω（Würth Elektronik 742 792 510，70 Ω，6 A，1812）。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須完全了解直流偏置電流對(duì)磁珠電感和有效阻抗的影響，因?yàn)檫@對(duì)于要求高電源電流的應(yīng)用可能十分重要。
LC 諧振效應(yīng)
當(dāng)鐵氧體磁珠與去耦電容一同應(yīng)用時(shí)，可能產(chǎn)生諧振尖峰。這個(gè)經(jīng)常被忽視的效應(yīng)可能會(huì)損害性能，因?yàn)樗赡軙?huì)放大給定系統(tǒng)的紋波和噪聲，而非衰減它們。很多情況下，此尖峰發(fā)生在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的常用開關(guān)頻率附近。
當(dāng)?shù)屯V波器網(wǎng)絡(luò)（由鐵氧體磁珠電感和高 Q 去耦電容組成）的諧振頻率低于磁珠的交越頻率時(shí)，發(fā)生尖峰。濾波結(jié)果為欠阻尼。圖 4a 顯示的是 TDK MPZ1608S101A 測(cè)量阻抗與頻率的關(guān)系曲線。阻性元件（與干擾能量的耗散有關(guān)）在達(dá)到大約 20MHz 到 30 MHz 范圍之前影響不大。低于此頻率則鐵氧體磁珠依然具有極高的 Q 值，且用作理想電感。典型鐵氧體磁珠濾波器的 LC 諧振頻率一般位于 0.1 MHz 到 10 MHz 范圍內(nèi)。對(duì)于 300kHz 到 5 MHz 范圍內(nèi)的典型開關(guān)頻率，需要更多阻尼來降低濾波器 Q 值。
圖 4. (a) A TDK MPZ1608S101A ZRX 曲線 (b) 鐵氧體磁珠和電容低通濾波器的 S21 響應(yīng)。
圖 4b 顯示了此效應(yīng)的一個(gè)示例；圖中，磁珠的 S21 頻率響應(yīng)和電容低通濾波器顯示了峰值效應(yīng)。此例中使用的鐵氧體磁珠是TDK MPZ1608S101A（100 ?，3 A，0603），使用的去耦電容是 Murata GRM188R71H103KA01 低 ESR 陶瓷電容（10 nF，X7R，0603）。負(fù)載電流為微安級(jí)別。
無阻尼鐵氧體磁珠波器可能表現(xiàn)出從約 10 dB到約 15 dB的尖峰，具體取決于濾波器電路 Q 值。圖 4b 中，尖峰出現(xiàn)在 2.5 MHz左右，增益高達(dá) 10 dB。
此外，信號(hào)增益在 1 MHz 到 3.5 MHz 范圍內(nèi)可見。如果該尖峰出現(xiàn)在開關(guān)穩(wěn)壓器的工作頻段內(nèi)，那么可能會(huì)有問題。它會(huì)放大干擾開關(guān)偽像，嚴(yán)重影響敏感負(fù)載的性能，比如鎖相環(huán) (PLL)、壓控振蕩器 (VCO) 和高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。圖 4b 中顯示的結(jié)果為采用極輕負(fù)載（微安級(jí)別），但對(duì)于只需要數(shù)微安到 1mA 負(fù)載電流的電路部分或者在某些工作模式下關(guān)閉以節(jié)省功耗的部分而言，這是一個(gè)實(shí)用的應(yīng)用。這個(gè)潛在的尖峰在系統(tǒng)中產(chǎn)生了額外的噪聲，可能會(huì)導(dǎo)致不良串?dāng)_。
例如，圖 5 顯示了一個(gè) ADP5071 應(yīng)用電路，該電路采用了磁珠濾波器；圖 6 顯示了正輸出端的頻譜曲線。開關(guān)頻率設(shè)為 2.4 MHz，輸入電壓設(shè)為 9 V，輸出電壓設(shè)為 16 V，負(fù)載電流設(shè)為 5 mA。
圖 5. ADP5071 應(yīng)用電路（帶磁珠和電容低通濾波器，部署在正輸出端）。
圖 6. ADP5071 頻譜輸出（5 mA 負(fù)載）。
由于磁珠的電感和 10 nF 陶瓷電容，諧振尖峰出現(xiàn)在約 2.5 MHz處。出現(xiàn)了 10 dB 增益，而非衰減 2.4 MHz 處的基頻紋波頻率。影響諧振尖峰的其他因素是鐵氧體磁珠濾波器的串聯(lián)阻抗和負(fù)載阻抗。在較電源內(nèi)阻下，尖峰大幅下降，并被阻尼所減弱。然而，采用這種方法會(huì)導(dǎo)致負(fù)載調(diào)節(jié)下降，從而失去實(shí)用性。由于聯(lián)電阻下降，輸出電壓隨負(fù)載電流而下降。負(fù)載阻抗還會(huì)影響峰值響應(yīng)。輕載條件下的尖峰更嚴(yán)重。
阻尼方法
本節(jié)介紹三種阻尼方法，系統(tǒng)工程師可用來大幅降低諧振尖峰電平（見圖 7）。
圖 7. 不同阻尼方法的實(shí)際頻率響應(yīng)。
方法 A 是在去耦電容路徑上添加一個(gè)串聯(lián)電阻，可抑制系統(tǒng)諧振，但會(huì)降低高頻旁路有效性。方法 B 是在鐵氧體磁珠兩端添加一個(gè)小數(shù)值并聯(lián)電阻，這樣也會(huì)抑制系統(tǒng)諧振。但是，在高頻時(shí)濾波器的衰減特性會(huì)下降。圖 8 顯示了 MPZ1608S101A 使用和不使用 10 Ω 并聯(lián)電阻的情況下阻抗與頻率的關(guān)系曲線。淺綠色虛線表示磁珠采用 10 Ω 并聯(lián)電阻的總阻抗。磁珠阻抗和電阻組合大幅下降，并主要由 10 Ω 電阻決定。但是，采用 10 Ω并聯(lián)電阻時(shí)的 3.8 MHz 交越頻率遠(yuǎn)低于磁珠自身在 40.3 MHz 時(shí)的交越頻率。在低得多的頻率范圍內(nèi)磁珠表現(xiàn)出阻性，可降低 Q值，改善阻尼性能。
圖 8. (a) MPZ1608S101A ZRX 曲線 (b) MPZ1608S101A ZRX 曲線，縮放視圖。
方法 C 是添加大電容 (CDAMP) 與串聯(lián)阻尼電阻 (RDAMP) 的組合，通常這種方法最佳。
添加電容和電阻可抑制系統(tǒng)諧振，同時(shí)不會(huì)降低高頻時(shí)的旁路有效性。采用此種方法可以避免大隔直電容導(dǎo)致電阻功耗過大。該電容必須遠(yuǎn)大于所有去耦電容之和，這降低了所需的阻尼電阻值。在諧振頻率處，電容阻抗必須遠(yuǎn)小于阻尼電阻，以便減少尖峰。
圖 9 顯示了 ADP5071 正輸出頻譜曲線，其應(yīng)用電路采用阻尼方法 C，如圖 5 所示。CDAMP和 RDAMP分別是 1 μF 陶瓷電容和 2 ?SMD 電阻。2.4 MHz 時(shí)的基頻紋波降低 5 dB 增益，而非圖 9 中顯示的 10 dB 增益。
圖 9. 采用阻尼方法 C時(shí)的 ADP5071頻譜輸出以及磁珠和電容低通濾波器。
一般而言，方法 C 最為優(yōu)雅，通過添加一個(gè)電阻和陶瓷電容的串聯(lián)組合實(shí)現(xiàn)，無需購(gòu)買昂貴的專用阻尼電容。比較可靠的設(shè)計(jì)始終包含電阻，可在原型制作時(shí)方便調(diào)試，如果不需要還可移除。唯一缺點(diǎn)是額外的元件成本和更多的電路板占位空間。
結(jié)論
本文討論了使用鐵氧體磁珠時(shí)必須考慮的關(guān)鍵因素。本文還詳細(xì)介紹了一個(gè)簡(jiǎn)單的電路模型，表示磁珠。仿真結(jié)果在零直流偏置電流處表現(xiàn)出良好的實(shí)際測(cè)量阻抗與頻率響應(yīng)的相關(guān)性。
本文還討論了直流偏置電流對(duì)鐵氧體磁珠特性的影響。結(jié)果表明超過額定電流 20%的直流偏置電流可能會(huì)導(dǎo)致磁珠電感的大幅下降。這樣的電流還會(huì)降低磁珠的有效阻抗，削弱 EMI 濾波能力。在供電軌上以直流偏置電流方式使用鐵氧體磁珠時(shí)，應(yīng)確保電流不會(huì)導(dǎo)致鐵氧體材料飽和以及產(chǎn)生電感的大幅變化。由于鐵氧體磁珠是感性的，將其與高 Q 值去耦電容一同使用時(shí)應(yīng)當(dāng)非常謹(jǐn)慎。如果不謹(jǐn)慎，會(huì)在電路中產(chǎn)生干擾諧振，弊大于利。
本文中提出的阻尼方法在負(fù)載上采用大去耦電容與阻尼電阻的串聯(lián)組合，從而避免了干擾諧振。正確使用鐵氧體磁珠可以高效而廉價(jià)地降低高頻噪聲和開關(guān)瞬變。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2017-09-05
