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、bianyaqideng。raner
，huoxushiyouyucixuezhongfuzaduobiandecanshu

，yexushiyouyuciyuanjiankanqilaiguoyujiandan，duoshugongchengshizaishejichanpinzhongxiguanyuhushitamen。womenzhidaozaikaiguandianyuanshejizhong，weilezuodaogenggaodezhuanhuanxiaolv
，shejizhexuyaochongfenzhangwobianyaqiraozu
、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)。

 

磁(ci)珠(zhu)是(shi)眾(zhong)多(duo)磁(ci)元(yuan)件(jian)的(de)一(yi)種(zhong)
，磁(ci)珠(zhu)又(you)分(fen)為(wei)穿(chuan)心(xin)磁(ci)珠(zhu)和(he)貼(tie)片(pian)磁(ci)珠(zhu)。筆(bi)者(zhe)個(ge)人(ren)認(ren)為(wei)穿(chuan)心(xin)磁(ci)珠(zhu)更(geng)接(jie)近(jin)於(yu)電(dian)感(gan)
，其(qi)在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)也(ye)較(jiao)為(wei)少(shao)見(jian)，尤(you)其(qi)是(shi)在(zai)目(mu)前(qian)產(chan)品(pin)小(xiao)型(xing)化(hua)趨(qu)勢(shi)的(de)要(yao)求(qiu)
，貼(tie)片(pian)磁(ci)珠(zhu)更(geng)具(ju)優(you)勢(shi)。本(ben)文(wen)圍(wei)繞(rao)用(yong)於(yu)儀(yi)表(biao)生(sheng)產(chan)的(de)貼(tie)片(pian)磁(ci)珠(zhu)展(zhan)開(kai)

，希(xi)望(wang)能(neng)夠(gou)對(dui)讀(du)者(zhe)有(you)所(suo)幫(bang)助(zhu)。

 

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

 

zailvbodianlushejizhong，chasunshizuinenggoutixianlvbodianlutexingdecanshu。zaichanpindezhenggaizhong，kaolvqijianxuanzeshi，womenshouxianhuiqukanqijiandechasuntexing。chasunkeyizonghefanyingdianluxitongduidiancinengliangdexiaohaonengli，zhezhongxiaohaojikeyishifanshehuiyuanduan，yekeyitongguoqijianzishenfaredefangshijiangqizhuanhuanweilingyizhongnengliang。ranerchasuncanshubingbuhuifanyingchudianluxitongdezunitexing
，zheyezhengshiduoshushejirenyuanzuiweitoutengdeshiqing
，wangwangzhengquecanshudeqijianyingyongzaidianluzhong，jieguoquehexiamianjijiezhongjieshaodeleisi，dianluzaoshengbujiangfanshengle。 

 

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)zukangzuigaodecizhuquchulidipinzaosheng
，baoyouleisixiangfadeduzheqingxianjingxiaxinlaijixuxiangxiakan。congjieguozhongkeyikanchujishishigaopincizhu，duidianyuanzaoshengyeyouyidingdeshuaijian
，xiatuzhongkeyikanchu，dianganshangdianyawenbomingxianjianxiao
，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 

 

總(zong)有(you)些(xie)好(hao)事(shi)者(zhe)采(cai)用(yong)磁(ci)珠(zhu)替(ti)代(dai)電(dian)感(gan)
，放(fang)在(zai)電(dian)源(yuan)輸(shu)入(ru)端(duan)，與(yu)電(dian)容(rong)組(zu)成(cheng)濾(lv)波(bo)電(dian)路(lu)，如(ru)下(xia)圖(tu)所(suo)示(shi)。采(cai)用(yong)類(lei)似(si)做(zuo)法(fa)會(hui)產(chan)生(sheng)一(yi)種(zhong)問(wen)題(ti)，電(dian)源(yuan)輸(shu)入(ru)輸(shu)入(ru)端(duan)在(zai)低(di)頻(pin)段(duan)會(hui)有(you)非(fei)常(chang)大(da)的(de)反(fan)諧(xie)振(zhen)產(chan)生(sheng)。如(ru)下(xia)圖(tu)LISN結果所示

，1MHz以後的噪聲均有明顯的下降。然而0.6MHz以(yi)前(qian)的(de)噪(zao)聲(sheng)幅(fu)值(zhi)甚(shen)至(zhi)高(gao)於(yu)沒(mei)有(you)濾(lv)波(bo)措(cuo)施(shi)下(xia)的(de)電(dian)源(yuan)噪(zao)聲(sheng)。讓(rang)人(ren)失(shi)望(wang)的(de)是(shi)，一(yi)定(ding)數(shu)量(liang)的(de)工(gong)程(cheng)師(shi)會(hui)因(yin)為(wei)對(dui)電(dian)感(gan)的(de)不(bu)了(le)解(jie)而(er)直(zhi)接(jie)選(xuan)擇(ze)增(zeng)加(jia)電(dian)容(rong)容(rong)值(zhi)，殊(shu)不(bu)知(zhi)此(ci)時(shi)電(dian)容(rong)容(rong)值(zhi)越(yue)大(da)，低(di)頻(pin)噪(zao)聲(sheng)越(yue)高(gao)，整(zheng)改(gai)起(qi)來(lai)往(wang)往(wang)是(shi)一(yi)頭(tou)霧(wu)水(shui)。

 

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1mA負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)的(de)電(dian)路(lu)部(bu)分(fen)或(huo)者(zhe)在(zai)某(mou)些(xie)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)下(xia)關(guan)閉(bi)以(yi)節(jie)省(sheng)功(gong)耗(hao)的(de)部(bu)分(fen)而(er)言(yan)，這(zhe)是(shi)一(yi)個(ge)實(shi)用(yong)的(de)應(ying)用(yong)。這(zhe)個(ge)潛(qian)在(zai)的(de)尖(jian)峰(feng)在(zai)係(xi)統(tong)中(zhong)產(chan)生(sheng)了(le)額(e)外(wai)的(de)噪(zao)聲(sheng)
，可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)不(bu)良(liang)串(chuan)擾(rao)。

 

 

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