【導(dǎo)讀】磁珠的全稱為鐵氧體磁珠濾波器(另有一種是非晶合金磁性材料制作的磁珠),是一種抗干擾元件,濾除高頻噪聲效果顯著。磁珠的主要原料為鐵氧體。鐵氧體是一種立方晶格結(jié)構(gòu)的亞鐵磁性材料。鐵氧體材料為鐵鎂合金或鐵鎳合金,它的制造工藝和機(jī)械性能與陶瓷相似,顏色為灰黑色。
磁珠的全稱為鐵氧體磁珠濾波器(另有一種是非晶合金磁性材料制作的磁珠),是一種抗干擾元件,濾除高頻噪聲效果顯著。磁珠的主要原料為鐵氧體。鐵氧體是一種立方晶格結(jié)構(gòu)的亞鐵磁性材料。鐵氧體材料為鐵鎂合金或鐵鎳合金,它的制造工藝和機(jī)械性能與陶瓷相似,顏色為灰黑色。
磁珠基礎(chǔ)知識
磁珠(Ferrite bead)有很高的電阻率和磁導(dǎo)率,其等效電路是一個(gè) DCR 電阻串聯(lián)一個(gè)電感并聯(lián)一個(gè)電容和一個(gè)電阻。 DCR 是一個(gè)恒定值,但后面三個(gè)元件都是頻率的函數(shù),也就是說它們的感抗,容抗和阻抗會(huì)隨著頻率的變化而變化,當(dāng)然它們阻值,感值和容值都非常小。磁珠比普通的電感有更好的高頻濾波特性,在高頻時(shí)呈現(xiàn)阻性,所以能在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的阻抗,從而提高調(diào)頻濾波效果。
磁珠的電路符號就是電感,但是型號上可以看出使用的是磁珠。在電路功能上,磁珠和電感是原理相同的,只是頻率特性不同而已。
從等效電路中可以看到,當(dāng)頻率低于 fL(LC 諧振頻率)時(shí),磁珠呈現(xiàn)電感特性;當(dāng)頻率等于 fL 時(shí),磁珠是一個(gè)純電阻,此時(shí)磁珠的阻抗(impedance)最大;當(dāng)頻率高于諧振頻率點(diǎn) fL 時(shí),磁珠則呈現(xiàn)電容特性。
EMI 選用磁珠的原則就是磁珠的阻抗在 EMI 噪聲頻率處最大。比如如果 EMI 噪聲的最大值在 200MHz,那你選擇的時(shí)候就要看磁珠的特性曲線,其阻抗的最大值應(yīng)該在 200MHz 左右。
下圖是一個(gè)磁珠的實(shí)際的特性曲線圖。 大家可以看到這個(gè)磁珠的峰值點(diǎn)出現(xiàn)在 1GHz 左右, 在峰點(diǎn)時(shí),阻抗(Z)曲線的值與電阻(R)的相等。也就是說這個(gè)磁珠在 1GHz 時(shí),是個(gè)純電阻,而且阻抗值最大。
Z: impedance R: R( f) X1: L\C
前面簡單介紹了 EMI 磁珠的基本特性曲線。
從磁珠的阻抗曲線來看,其實(shí)它的特性就是可以用來做高頻信號濾波器。需要注意的是,通常大家看到的廠家提供的磁珠阻抗曲線,都是在無偏置電流情況下測試得到的曲線。
但大部分磁珠通常被放在電源線線上用來濾除電源的 EMI 噪聲。在有偏置電流的情況下,磁珠的特性會(huì)發(fā)生一些變化。下面是某個(gè) 0805 尺寸 500mA 的磁珠在不同的偏置電流下的阻抗曲線。大家可以看到,隨著電流的增加,磁珠的峰值阻抗會(huì)變小,同時(shí)阻抗峰值點(diǎn)的頻率也會(huì)變高。
在進(jìn)一步闡述磁珠的特性之前,讓我們先來看一下磁珠的主要特性指標(biāo)的定義:
Z (阻抗, impedance ohm) :磁珠等下電路中所有元件的阻抗之和,它是頻率的函數(shù)。通常大家都用磁珠在 100MHz 時(shí)的阻抗值作為磁珠阻抗值。
DCR (ohm): 磁珠導(dǎo)體的的直流電阻。
額定電流:當(dāng)磁珠安裝于印刷線路板并加入恒定電流,自身溫升由室溫上升 40C 時(shí)的電流值。
那么 EMI 磁珠的磁珠有成千上萬種,阻抗曲線也各不相同,我們應(yīng)該如何根據(jù)我們的實(shí)際應(yīng)用選擇合適的磁珠呢?
讓我們首先來看一下阻抗值同為600ohm@100MHz,但尺寸大小不同的磁珠在不同偏置電流電流和工作頻率下的特性。
上面是四個(gè)不同大小的磁珠分別工作在 0A,100mA 偏置電流及在 100MHz,500MHz 和 1GHz 工作頻率下的阻抗值。
從上表的測試數(shù)據(jù)中可以看出, 1206 尺寸的磁珠在低頻 100MHz 工作時(shí),其阻抗值僅從 0A 下的600ohm 減小到 100mA 偏置電流下的 550ohm,而 0402 尺寸的磁珠阻抗值卻從 0A 下的 600ohm 大幅減小為 175ohm。
由此看來,在低頻大偏置電流應(yīng)用的情況下,應(yīng)該選擇大尺寸的磁珠,其阻抗特性會(huì)更好一些。讓我們來看一下磁珠在高頻工作時(shí)的情形。 1206 尺寸的磁珠其 1GHz 下的阻抗從 100MHz 下的600ohm 大幅減小為 105ohm,而 0402 尺寸的磁珠其 1GHz 下的阻抗則只由 100MHz 下的 600ohm 小幅減小為 399ohm。
這也就是說,在低頻大偏置電流的情況下,我們應(yīng)該選擇較大尺寸的磁珠,而在高頻應(yīng)用中,我們應(yīng)該盡量選擇小尺寸的磁珠。
應(yīng)用于信號線上的磁珠
讓我們再來看一下下面兩個(gè)不同曲線特征的磁珠 A 和磁珠 B 應(yīng)用于信號線時(shí)的情況。
磁珠 A 和磁珠 B 的阻抗峰值都在 100MHz 和 200MHz 之間,但磁珠 A 阻抗頻率曲線比較平坦,磁珠B 則比較陡峭。
我們將兩個(gè)磁珠分別放在如下的 20MHz 的信號線上,看看對信號輸出會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響。
下面是用示波器分別量測磁珠輸出端的波形圖
從輸出波形來看,磁珠 B 的輸出波形失真要明顯小于磁珠 A。
原因是磁珠 B 的阻抗頻率波形比較陡峭,其阻抗在 200MHz 時(shí)較高,只對 200MHz 附近的信號的衰減較大,但對頻譜很寬的方波波形影響較小。而磁珠 A 的阻抗頻率特性比較平坦,其對信號的衰減頻譜也比較寬,因此對方波的波形影響也較大。
下面是上述三種情況對應(yīng)的 EMI 測試結(jié)果。結(jié)果是磁珠 A 和磁珠 B 都會(huì)對 EMI 噪聲產(chǎn)生很大的衰減。磁珠 A 在整個(gè) EMI 頻譜范圍內(nèi)的衰減要稍好于磁珠 B。
因此,在具體選用磁珠時(shí),阻抗頻率特性平坦型的磁珠 A 比較適合應(yīng)用于電源線,而頻率特性比較陡峭的磁珠 B 則較適合應(yīng)用于信號線。磁珠 B 在應(yīng)用于信號線時(shí),可以在盡量保持信號完整性的情況下,盡可能只對 EMI 頻率附近的噪聲產(chǎn)生最大的衰減。
磁珠與電容回路
在一些器件的數(shù)據(jù)手冊或者應(yīng)用文檔中,一般會(huì)建議對一些要求較高的電源管腳(比如VCCA,VCCPLL之類的)做隔離處理,并推薦使用磁珠進(jìn)行隔離。一般建議將電容放在更加靠近器件電源管腳的地方(相對于磁珠的位置),如下圖所示。至于電容的容值,和該電源管腳的功率(電壓&電流),電容距離管腳的位置,電容的封裝大小等因素有關(guān)系。
對于電容的Layout也有一些講究,安裝電容時(shí),要從焊盤拉出一下段引線通過過孔和電源平面連接,接地段也一樣。則電容的電流回路是:電源平面→過孔→引出線→焊盤→電容→焊盤→引出線→過孔→低平面。如下圖所示:
放置過孔的基本原則就是讓這一環(huán)路面積最小,減小寄生電感。下圖顯示幾種安裝方法:
※第一種方法從焊盤引出很長的線然后連接到過孔,這會(huì)引入很大的寄生電感,一定要避免這樣做。
※第二種方法在焊盤二端打過孔,比第一種方法路面積小的多,寄生電感也較小,可以接受。
※第三種方法在焊盤側(cè)面打孔,進(jìn)一步減小了環(huán)路面積,寄生電感比第一個(gè)更小,是比較好的方法。
※第四種方法焊盤二側(cè)面打孔,和第三種方法相比,電容的每端都是通過并聯(lián)的過孔接入電源和地平面,比第三種的寄生電感還小,只要空間允許,盡量使用。
※最后一種方法在焊盤上直接打孔,寄生電感最小,但是焊接可能會(huì)出現(xiàn)問題。
“濫用”磁珠的危害
典型的8層以上單板,或者6層板采用3個(gè)電源地平面,電源地相對緊耦合的設(shè)計(jì),這時(shí)候板上的濾波電容呈現(xiàn)“全局特性”,也就是說電容的位置不是很“重要”,電容在全局起作用。雙面板四層板,以及6層板電源地距離比較遠(yuǎn),相對松耦合的時(shí)候,板上的濾波電容傾向于“局部特性”,電容的位置比較重要,最好能靠近芯片管腳放置。
當(dāng)電源供電網(wǎng)絡(luò)不使用電源地平面來設(shè)計(jì)的時(shí)候,電容更傾向于“局部特性”。如PLL電源的電容,如DDR3設(shè)計(jì)中Vref電源的電容,都希望嚴(yán)格把相應(yīng)的電容靠近芯片的管腳,甚至最好能做到設(shè)計(jì)時(shí)指定電源必須從濾波電容進(jìn)入芯片管腳。
同樣的,對于常規(guī)數(shù)字電源,如3.3V,2.5V等IO電源,如果我們對每一個(gè)芯片都使用磁珠隔離之后單獨(dú)供電,那么電容就失去了“全局”作用。最直接的一個(gè)負(fù)面作用就是導(dǎo)致設(shè)計(jì)需要增加更多的濾波電容?;蛘吣硞€(gè)芯片的電容數(shù)量與種類不夠,導(dǎo)致電源軌道噪聲變大。
就算是電容的數(shù)量不是問題,電源噪聲可控,“濫用”磁珠還會(huì)造成其他設(shè)計(jì)問題。電源種類多是設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀, “濫用”磁珠會(huì)“雪上加霜”的讓電源種類更多。加大電源地平面設(shè)計(jì)的難度。而增加的磁珠,其實(shí)并沒有給電源噪聲帶來好處。
總結(jié)
常規(guī)的數(shù)字電源,在采用多層板設(shè)計(jì),電源地平面緊耦合的情況下,不建議“濫用”磁珠,保持電容的“全局”特性起作用。
需要使用磁珠的場合大致分為兩種
1、“特別”保護(hù)自己,如PLL電源,F(xiàn)PGA中的SerDes模擬電源等
2、“關(guān)愛”他人,自身的干擾性比較強(qiáng),避免EMI問題,如強(qiáng)驅(qū)動(dòng)的時(shí)鐘芯片等
主要參考文獻(xiàn)
1、網(wǎng)友a(bǔ)iyuanwuyin的博客,https://blog.csdn.net/taiyuanwuyin/article/details/78803110
2、電源完整性設(shè)計(jì):
3、磁珠選型與應(yīng)用知識:
4、EMC磁珠到底是什么 H?具體如何選型?:
(轉(zhuǎn)載自:貿(mào)澤工程師社區(qū) 來源:電子技術(shù)應(yīng)用ChinaAET,作者: Felix)
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