電子產品內部包含眾多磁元件，這些器件占據(jù)了產品成本較多的比重。隨手找一個產品，我們都可以很直接的看到各種電感、磁珠、變壓器等。然而，或許是由于磁學中復雜多變的參數(shù)，也許是由于磁元件看起來過于簡單，多數(shù)工程師在設計產品中習慣于忽視它們。我們知道在開關電源設計中，為了做到更高的轉換效率，設計者需要充分掌握變壓器繞組、氣隙以及 PFC 電感等參數(shù)的設計技巧。在進行 EMI 濾波器設計時，我們往往側重于去看磁元件的感抗和阻抗參數(shù)，而忽視了許多關鍵的參數(shù)。本系列文章旨在讓讀者進一步認識磁元件中的各種特性，希望能夠幫助讀者在實際項目中更為準確的選擇磁元件，更快速的分析問題的原因。

 

磁珠是眾多磁元件的一種，磁珠又分為穿心磁珠和貼片磁珠。筆者個人認為穿心磁珠更接近于電感，其在實際應用中也較為少見，尤其是在目前產品小型化趨勢的要求，貼片磁珠更具優(yōu)勢。本文圍繞用于儀表生產的貼片磁珠展開，希望能夠對讀者有所幫助。

 

1、鐵氧體磁珠

 

PCB中不同頻率和功率特性的模擬和數(shù)字IC通常采用不同的電源網(wǎng)絡供電。這樣有助于防止快速數(shù)字開關噪聲耦合到敏感的模擬電源網(wǎng)絡，降低轉換器性能，但獨立的供電會增加系統(tǒng)級復雜性和制造成本。通常會選擇鐵氧體磁珠針對電源網(wǎng)絡采取適當?shù)母哳l隔離。鐵氧體磁珠是無源器件，可在寬頻率范圍內過濾高頻噪聲。它在目標頻率范圍內具有電阻特性，并以熱量的形式耗散噪聲能量。一般情況下，鐵氧體磁珠主要用在PDN電源網(wǎng)絡中，磁珠兩側通常對地接適當容值的電容，組成濾波網(wǎng)絡，降低PDN電源網(wǎng)絡的開關噪聲。鐵氧體磁珠的等效電路模型為一個由電阻、電感和電容組成的電路。如下圖所示。RDC對應磁珠的直流電阻。CPAR、LBEAD和RAC分別表示寄生電容、磁珠電感和與磁珠有關的交流電阻(交流磁芯損耗)。

 

圖1(a) 鐵氧體磁珠的簡化電路模型；圖1(b) 鐵氧體磁珠采用TycoElectronics BMB2A1000LN2測量的ZRX曲線

 

Jefferson Eco在其文章中給出了四個參數(shù)的結果，其計算過程也很簡單，這里就不贅述了。具體數(shù)值為RDC=300mΩ，CPAR=1.678pH，LBEAD=1.208μH，RAC=1.082kΩ。從計算結果來看，磁珠的等效模型為LCR并聯(lián)諧振電路，RDC所貢獻的作用忽略不計。采用CST建立起該磁珠模型，得到阻抗參數(shù)如下所示，可以看到結果整體是一致的。

 

RAC是組成磁珠四個參數(shù)中最重要的一個參數(shù)，正是由于RAC的存在，磁珠才稱為磁珠，否則組成的模型只能稱為電阻，也正是由于RAC的存在，才會有下圖中的阻抗曲線。我們都知道LC諧振頻率的計算公式，若是計算CPAR和LBEAD組成的諧振電路諧振頻率，你會發(fā)現(xiàn)其諧振頻率剛好是阻抗曲線的最高點。當RLC并聯(lián)電路諧振時，電路導納Y(jω) =G=1/R，也就是說諧振點對應的阻抗值為RAC的值。

 

圖2 采用CST計算得到的磁珠阻抗曲線

 

 

圖4  磁珠模型的阻抗曲線

 

由于磁珠的內電極整體被鐵氧體材料包裹，所以磁珠本身擁有完整的磁屏蔽，其外部磁場的泄露較小。因此在進行l(wèi)ayout時，不需要考慮磁珠周圍是否存在敏感電路，也不需要刻意的挖空磁珠下方的地層。

 

圖5  磁珠在最高阻抗頻率下的磁場分布

 

2、磁珠的插損

 

在濾波電路設計中，插損是最能夠體現(xiàn)濾波電路特性的參數(shù)。在產品的整改中，考慮器件選擇時，我們首先會去看器件的插損特性。插損可以綜合反映電路系統(tǒng)對電磁能量的消耗能力，這種消耗既可以是反射回源端，也可以通過器件自身發(fā)熱的方式將其轉換為另一種能量。然而插損參數(shù)并不會反映出電路系統(tǒng)的阻尼特性，這也正是多數(shù)設計人員最為頭疼的事情，往往正確參數(shù)的器件應用在電路中，結果卻和下面幾節(jié)中介紹的類似，電路噪聲不降反升了。 

 

下圖為昌暉儀表的測試系統(tǒng)，采用網(wǎng)絡分析儀和特制夾具，用于測試磁珠等器件的S參數(shù)。當采用一顆600R的磁珠進行測試時，其結果如圖所示。

 

圖6  采用網(wǎng)絡分析儀測試磁珠插損 

 

圖7 磁珠的插損曲線

 

因為給出的阻抗曲線不夠清晰，這里近似估算LBEAD=1.59μH，CPAR=0.7pF，RDC=600mΩ，RAC=680Ω，采用該參數(shù)計算得到的插損曲線如下圖所示?？梢钥闯觯嬎愠龅慕Y果與測試相比，在高頻插損更低一些，我們假設測試設備經(jīng)過了準確的校準，所以導致測試結果的差異就是產品阻抗參數(shù)曲線不準確！根據(jù)測試的插損最低點為90.74MHz，插損18.188dB，將測試系統(tǒng)中的參數(shù)寫入軟件，經(jīng)過重新計算，得到該磁珠的LBEAD=1.59μH，CPAR=2.1pF，RDC=600mΩ，RAC=715Ω。修正后的插損曲線和阻抗曲線分布如下圖所示。我們看修正后的插損曲線，Mark點的插損參數(shù)與實際測試的幾乎完全一致。

 

圖8  根據(jù)產品阻抗曲線計算得到的插損曲線

 

圖9  修正后的插損曲線 

 

圖10 修正后的阻抗曲線

 

相對于電感，磁珠的插入損耗特性是偏小的，電路中單獨使用LC濾波，可以實現(xiàn)較大的插損值，實測中甚至可以做到80dB的插損。但是單獨使用LC濾波，當頻率高出LC諧振頻率時，其插損值將會迅速減小，這是我們不愿意看到的，此時可以配合磁珠改善高頻特性。

 

圖11  L型濾波電路中使用鐵氧體磁珠的插損特性(計算值)

 

3、電源中的磁珠

 

Murata公司的資料中有使用鐵氧體磁珠進行噪聲抑制和改善的例子。如下圖所示，可以看到，磁珠對于IC噪聲有明顯的隔離作用。

 

圖12  用磁珠進行噪聲抑制和改善的實例

 

下面采用ANSYS Simplorer建立一個Buck電路，輸入10V，輸出3.5V，開關頻率為200khz，占空比50%，我們需要查看各器件的波形和開關管在輸入端的傳導噪聲。 

 

圖13  Buck電路仿真模型

 

圖14  各器件上的電壓波形

 

下圖為LISN接收到的傳導噪聲，可以看到開關電源本身的諧波是比較豐富的。200Khz的開關頻率，其諧波一直延伸到20MHz還明顯可見。電源開關管占空比為50%，理論上50%占空比下的偶次諧波幅值應該為0，這里卻為非0值，這是為何呢？這個問題留給讀者思考。

 

圖15  LISN端接收到的傳導噪聲

 

把上節(jié)中的磁珠等效電路加入電源輸入端，如下圖所示，查看磁珠在電路中對開關噪聲的濾波效果。這里肯定有人要問，為什么選擇高頻(100MHz)阻抗最高的磁珠去處理低頻噪聲，抱有類似想法的讀者請先靜下心來繼續(xù)向下看。從結果中可以看出即使是高頻磁珠，對電源噪聲也有一定的衰減，下圖中可以看出，電感上電壓紋波明顯減小，LISN接收到的傳導噪聲也有一定程度下降(注意這里是線型值，當轉換為對數(shù)值時這點下降可以忽略不計)。

 

圖16  加入磁珠等效電路后的BUCK電路

 

圖17  加入磁珠等效電路后各元件上的電壓波形

 

圖18  加入磁珠前后 LISN 接收到的傳導噪聲對比 

 

總有些好事者采用磁珠替代電感，放在電源輸入端，與電容組成濾波電路，如下圖所示。采用類似做法會產生一種問題，電源輸入輸入端在低頻段會有非常大的反諧振產生。如下圖LISN結果所示，1MHz以后的噪聲均有明顯的下降。然而0.6MHz以前的噪聲幅值甚至高于沒有濾波措施下的電源噪聲。讓人失望的是，一定數(shù)量的工程師會因為對電感的不了解而直接選擇增加電容容值，殊不知此時電容容值越大，低頻噪聲越高，整改起來往往是一頭霧水。

 

圖19  在輸入端加10nF 電容和磁珠(等效電路替代)時的BUCK電路

 

圖20  三種情況下LISN接收到的傳導噪聲

 

當?shù)屯V波器網(wǎng)絡(由鐵氧體磁珠電感和高Q去偶電容組成)的諧振頻率低于磁珠的交越頻率時，發(fā)生尖峰。濾波結果為欠阻尼。下圖顯示的是TDK MPZ1608S101A測量阻抗與頻率的關系曲線(文獻提供)。阻性元件(與干擾能量的耗散有關)在達到大約20 MHz到30MHz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0.1MHz到10MHz范圍內。對于300kHz到5MHz范圍內的典型開關頻率，需要更多阻尼來降低濾波器Q值。

 

圖21(a) A TDK MPZ1608S101A ZRX曲線；圖21(b) 鐵氧體磁珠和電容低通濾波器的S21響應

 

上顯示了此效應的一個示例；圖中， 磁珠的S21頻率響應和電容低通濾波器顯示了峰值效應。此例中使用的鐵氧體磁珠是TDK MPZ1608S101A(100?，3A，0603)，使用的去耦電容是Murata GRM188R71H103KA01低ESR陶瓷電容(10 nF，X7R，0603)。負載電流為微安級別。

 

無阻尼鐵氧體磁珠濾波器可能表現(xiàn)出從約10dB到約15dB的尖峰，具體取決于濾波器電路Q值。圖4b中，尖峰出現(xiàn)在2.5MHz左右，增益高達10dB。

 

此外，信號增益在1MHz到3.5MHz范圍內可見。如果該尖峰出現(xiàn)在開關穩(wěn)壓器的工作頻段內，那么可能會有問題。它會放大干擾開關偽像，嚴重影響敏感負載的性能，比如鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器 (VCO) 和高分辨率模數(shù)轉換器 (ADC)。圖4b中顯示的結果為采用極輕負載(微安級別)，但對于只需要數(shù)微安到1mA負載電流的電路部分或者在某些工作模式下關閉以節(jié)省功耗的部分而言，這是一個實用的應用。這個潛在的尖峰在系統(tǒng)中產生了額外的噪聲，可能會導致不良串擾。

 

 

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