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鐵氧體磁珠揭秘

發(fā)布時(shí)間:2018-05-07 來源:Aldrick Limjoco 和 Jefferson Eco 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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)。
 
鐵氧體磁珠揭秘
圖1. (a) 簡(jiǎn)化電路模型 (b) 采用Tyco Electronics BMB2A1000LN2 測(cè)量的ZRX曲線。
 
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)?容性的那一點(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。
 
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(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:
 
鐵氧體磁珠揭秘
 
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 Ω。
 
由公式1 得出的電感值 (LBEAD) 等于1.208 μH。
 
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:
 
鐵氧體磁珠揭秘
 
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 mΩ。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 kΩ。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。
 
鐵氧體磁珠揭秘
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。
 
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,這些參數(shù)也會(huì)隨之迅速改變。
 
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%。
 
鐵氧體磁珠揭秘
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20 MHz 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300 kHz 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。
 
鐵氧體磁珠揭秘
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 Ω,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。
 
無阻尼鐵氧體磁珠濾波器可能表現(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1 mA 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。
 
鐵氧體磁珠揭秘
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)
 
鐵氧體磁珠揭秘
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。 由于串聯(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)。
 
http://m.bswap.cn/art/artinfo/id/80033849
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。
 
http://m.bswap.cn/art/artinfo/id/80033849
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 Ω 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。
 
http://m.bswap.cn/art/artinfo/id/80033849
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。
 
 
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