電子產品內部包含眾多磁元件，這些器件占據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bian壓ya器qi等deng。然ran而er，或huo許xu是shi由you於yu磁ci學xue中zhong複fu雜za多duo變bian的de參can數shu，也ye許xu是shi由you於yu磁ci元yuan件jian看kan起qi來lai過guo於yu簡jian單dan
，多duo數shu工gong程cheng師shi在zai設she計ji產chan品pin中zhong習xi慣guan於yu忽hu視shi它ta們men。我wo們men知zhi道dao在zai開kai關guan電dian源yuan設she計ji中zhong，為wei了le做zuo到dao更geng高gao的de轉zhuan換huan效xiao率lv，設she計ji者zhe需xu要yao充chong分fen掌zhang握wo變bian壓ya器qi繞rao組zu、氣隙以及 PFC 電感等參數的設計技巧。在進行 EMI 濾lv波bo器qi設she計ji時shi
，我wo們men往wang往wang側ce重zhong於yu去qu看kan磁ci元yuan件jian的de感gan抗kang和he阻zu抗kang參can數shu，而er忽hu視shi了le許xu多duo關guan鍵jian的de參can數shu。本ben係xi列lie文wen章zhang旨zhi在zai讓rang讀du者zhe進jin一yi步bu認ren識shi磁ci元yuan件jian中zhong的de各ge種zhong特te性xing，希xi望wang能neng夠gou幫bang助zhu讀du者zhe在zai實shi際ji項xiang目mu中zhong更geng為wei準zhun確que的de選xuan擇ze磁ci元yuan件jian
，更geng快kuai速su的de分fen析xi問wen題ti的de原yuan因yin。

 

cizhushizhongduociyuanjiandeyizhong，cizhuyoufenweichuanxincizhuhetiepiancizhu。bizhegerenrenweichuanxincizhugengjiejinyudiangan，qizaishijiyingyongzhongyejiaoweishaojian，youqishizaimuqianchanpinxiaoxinghuaqushideyaoqiu，tiepiancizhugengjuyoushi。benwenweiraoyongyuyibiaoshengchandetiepiancizhuzhankai
，xiwangnenggouduiduzheyousuobangzhu。

 

1、鐵氧體磁珠

 

PCB中不同頻率和功率特性的模擬和數字IC通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)不(bu)同(tong)的(de)電(dian)源(yuan)網(wang)絡(luo)供(gong)電(dian)。這(zhe)樣(yang)有(you)助(zhu)於(yu)防(fang)止(zhi)快(kuai)速(su)數(shu)字(zi)開(kai)關(guan)噪(zao)聲(sheng)耦(ou)合(he)到(dao)敏(min)感(gan)的(de)模(mo)擬(ni)電(dian)源(yuan)網(wang)絡(luo)，降(jiang)低(di)轉(zhuan)換(huan)器(qi)性(xing)能(neng)
，但(dan)獨(du)立(li)的(de)供(gong)電(dian)會(hui)增(zeng)加(jia)係(xi)統(tong)級(ji)複(fu)雜(za)性(xing)和(he)製(zhi)造(zao)成(cheng)本(ben)。通(tong)常(chang)會(hui)選(xuan)擇(ze)鐵(tie)氧(yang)體(ti)磁(ci)珠(zhu)針(zhen)對(dui)電(dian)源(yuan)網(wang)絡(luo)采(cai)取(qu)適(shi)當(dang)的(de)高(gao)頻(pin)隔(ge)離(li)。鐵(tie)氧(yang)體(ti)磁(ci)珠(zhu)是(shi)無(wu)源(yuan)器(qi)件(jian)，可(ke)在(zai)寬(kuan)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)內(nei)過(guo)濾(lv)高(gao)頻(pin)噪(zao)聲(sheng)。它(ta)在(zai)目(mu)標(biao)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)內(nei)具(ju)有(you)電(dian)阻(zu)特(te)性(xing)，並(bing)以(yi)熱(re)量(liang)的(de)形(xing)式(shi)耗(hao)散(san)噪(zao)聲(sheng)能(neng)量(liang)。一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia)，鐵(tie)氧(yang)體(ti)磁(ci)珠(zhu)主(zhu)要(yao)用(yong)在(zai)PDN電源網絡中，磁珠兩側通常對地接適當容值的電容，組成濾波網絡
，降低PDN電源網絡的開關噪聲。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的結果，其計算過程也很簡單，這裏就不贅述了。具體數值為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並聯諧振電路
，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中最重要的一個參數，正是由於RAC的存在，磁珠才稱為磁珠，否則組成的模型隻能稱為電阻，也正是由於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，你會發現其諧振頻率剛好是阻抗曲線的最高點。當RLC並聯電路諧振時
，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

 

由於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layout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(zai)濾(lv)波(bo)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)中(zhong)，插(cha)損(sun)是(shi)最(zui)能(neng)夠(gou)體(ti)現(xian)濾(lv)波(bo)電(dian)路(lu)特(te)性(xing)的(de)參(can)數(shu)。在(zai)產(chan)品(pin)的(de)整(zheng)改(gai)中(zhong)，考(kao)慮(lv)器(qi)件(jian)選(xuan)擇(ze)時(shi)，我(wo)們(men)首(shou)先(xian)會(hui)去(qu)看(kan)器(qi)件(jian)的(de)插(cha)損(sun)特(te)性(xing)。插(cha)損(sun)可(ke)以(yi)綜(zong)合(he)反(fan)映(ying)電(dian)路(lu)係(xi)統(tong)對(dui)電(dian)磁(ci)能(neng)量(liang)的(de)消(xiao)耗(hao)能(neng)力(li)，這(zhe)種(zhong)消(xiao)耗(hao)既(ji)可(ke)以(yi)是(shi)反(fan)射(she)回(hui)源(yuan)端(duan)，也(ye)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)器(qi)件(jian)自(zi)身(shen)發(fa)熱(re)的(de)方(fang)式(shi)將(jiang)其(qi)轉(zhuan)換(huan)為(wei)另(ling)一(yi)種(zhong)能(neng)量(liang)。然(ran)而(er)插(cha)損(sun)參(can)數(shu)並(bing)不(bu)會(hui)反(fan)映(ying)出(chu)電(dian)路(lu)係(xi)統(tong)的(de)阻(zu)尼(ni)特(te)性(xing)，這(zhe)也(ye)正(zheng)是(shi)多(duo)數(shu)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)最(zui)為(wei)頭(tou)疼(teng)的(de)事(shi)情(qing)，往(wang)往(wang)正(zheng)確(que)參(can)數(shu)的(de)器(qi)件(jian)應(ying)用(yong)在(zai)電(dian)路(lu)中(zhong)，結(jie)果(guo)卻(que)和(he)下(xia)麵(mian)幾(ji)節(jie)中(zhong)介(jie)紹(shao)的(de)類(lei)似(si)
，電(dian)路(lu)噪(zao)聲(sheng)不(bu)降(jiang)反(fan)升(sheng)了(le)。 

 

下圖為昌暉儀表的測試係統
，采用網絡分析儀和特製夾具，用於測試磁珠等器件的S參數。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

，這裏近似估算LBEAD=1.59μH，CPAR=0.7pF，RDC=600mΩ

，RAC=680Ω，采(cai)用(yong)該(gai)參(can)數(shu)計(ji)算(suan)得(de)到(dao)的(de)插(cha)損(sun)曲(qu)線(xian)如(ru)下(xia)圖(tu)所(suo)示(shi)。可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，計(ji)算(suan)出(chu)的(de)結(jie)果(guo)與(yu)測(ce)試(shi)相(xiang)比(bi)，在(zai)高(gao)頻(pin)插(cha)損(sun)更(geng)低(di)一(yi)些(xie)，我(wo)們(men)假(jia)設(she)測(ce)試(shi)設(she)備(bei)經(jing)過(guo)了(le)準(zhun)確(que)的(de)校(xiao)準(zhun)

，所(suo)以(yi)導(dao)致(zhi)測(ce)試(shi)結(jie)果(guo)的(de)差(cha)異(yi)就(jiu)是(shi)產(chan)品(pin)阻(zu)抗(kang)參(can)數(shu)曲(qu)線(xian)不(bu)準(zhun)確(que)！根據測試的插損最低點為90.74MHz，插損18.188dB
，將測試係統中的參數寫入軟件

，經過重新計算，得到該磁珠的LBEAD=1.59μH，CPAR=2.1pF
，RDC=600mΩ，RAC=715Ω。修正後的插損曲線和阻抗曲線分布如下圖所示。我們看修正後的插損曲線，Mark點的插損參數與實際測試的幾乎完全一致。

 

圖8  根據產品阻抗曲線計算得到的插損曲線

 

圖9  修正後的插損曲線 

 

圖10 修正後的阻抗曲線

 

相對於電感，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
，這是我們不願意看到的，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製和改善的例子。如下圖所示，可以看到，磁珠對於IC噪聲有明顯的隔離作用。

 

圖12  用磁珠進行噪聲抑製和改善的實例

 

下麵采用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


，這裏卻為非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ba上shang節jie中zhong的de磁ci珠zhu等deng效xiao電dian路lu加jia入ru電dian源yuan輸shu入ru端duan
，如ru下xia圖tu所suo示shi，查zha看kan磁ci珠zhu在zai電dian路lu中zhong對dui開kai關guan噪zao聲sheng的de濾lv波bo效xiao果guo。這zhe裏li肯ken定ding有you人ren要yao問wen
，為wei什shen麼me選xuan擇ze高gao頻pin(100MHz)阻zu抗kang最zui高gao的de磁ci珠zhu去qu處chu理li低di頻pin噪zao聲sheng
，抱bao有you類lei似si想xiang法fa的de讀du者zhe請qing先xian靜jing下xia心xin來lai繼ji續xu向xiang下xia看kan。從cong結jie果guo中zhong可ke以yi看kan出chu即ji使shi是shi高gao頻pin磁ci珠zhu

，對dui電dian源yuan噪zao聲sheng也ye有you一yi定ding的de衰shuai減jian
，下xia圖tu中zhong可ke以yi看kan出chu，電dian感gan上shang電dian壓ya紋wen波bo明ming顯xian減jian小xiao
，LISN接收到的傳導噪聲也有一定程度下降(注意這裏是線型值，當轉換為對數值時這點下降可以忽略不計)。

 

圖16  加入磁珠等效電路後的BUCK電路

 

圖17  加入磁珠等效電路後各元件上的電壓波形

 

圖18  加入磁珠前後 LISN 接收到的傳導噪聲對比 

 

zongyouxiehaoshizhecaiyongcizhutidaidiangan，fangzaidianyuanshuruduan

，yudianrongzuchenglvbodianlu，ruxiatusuoshi。caiyongleisizuofahuichanshengyizhongwenti
，dianyuanshurushuruduanzaidipinduanhuiyoufeichangdadefanxiezhenchansheng。ruxiatuLISN結果所示，1MHz以後的噪聲均有明顯的下降。然而0.6MHzyiqiandezaoshengfuzhishenzhigaoyumeiyoulvbocuoshixiadedianyuanzaosheng。rangrenshiwangdeshi
，yidingshuliangdegongchengshihuiyinweiduidiangandebulejieerzhijiexuanzezengjiadianrongrongzhi

，shubuzhicishidianrongrongzhiyueda

，dipinzaoshengyuegao，zhenggaiqilaiwangwangshiyitouwushui。

 

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

 

當低通濾波器網絡(由鐵氧體磁珠電感和高Q去偶電容組成)的諧振頻率低於磁珠的交越頻率時，發生尖峰。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係曲線(文獻提供)。阻性元件(與幹擾能量的耗散有關)在達到大約20 MHz到30MHz範圍之前影響不大。低於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諧振頻率一般位於0.1MHz到10MHz範圍內。對於300kHz到5MHz範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(100Ω，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出從約10dB到約15dB的尖峰
，具體取決於濾波器電路Q值。圖4b中，尖峰出現在2.5MHz左右，增益高達10dB。

 

此外，信號增益在1MHz到3.5MHz範fan圍wei內nei可ke見jian。如ru果guo該gai尖jian峰feng出chu現xian在zai開kai關guan穩wen壓ya器qi的de工gong作zuo頻pin段duan內nei，那na麼me可ke能neng會hui有you問wen題ti。它ta會hui放fang大da幹gan擾rao開kai關guan偽wei像xiang，嚴yan重zhong影ying響xiang敏min感gan負fu載zai的de性xing能neng
，比bi如ru鎖suo相xiang環huan(PLL)、壓控振蕩器 (VCO) 和高分辨率模數轉換器 (ADC)。圖4b中顯示的結果為采用極輕負載(微安級別)，但對於隻需要數微安到1mAfuzaidianliudedianlubufenhuozhezaimouxiegongzuomoshixiaguanbiyijieshenggonghaodebufeneryan，zheshiyigeshiyongdeyingyong。zhegeqianzaidejianfengzaixitongzhongchanshengleewaidezaosheng
，kenenghuidaozhibuliangchuanrao。

 

 

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