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 lvboqishejishi，womenwangwangcezhongyuqukanciyuanjiandegankanghezukangcanshu，erhushilexuduoguanjiandecanshu。benxiliewenzhangzhizairangduzhejinyiburenshiciyuanjianzhongdegezhongtexing
，xiwangnenggoubangzhuduzhezaishijixiangmuzhonggengweizhunquedexuanzeciyuanjian

，gengkuaisudefenxiwentideyuanyin。

 

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zaiPDN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
，caiyonggaicanshujisuandedaodechasunquxianruxiatusuoshi。keyikanchu
，jisuanchudejieguoyuceshixiangbi，zaigaopinchasungengdiyixie
，womenjiasheceshishebeijingguolezhunquedexiaozhun，suoyidaozhiceshijieguodechayijiushichanpinzukangcanshuquxianbuzhunque！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 

 

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tuLISN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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