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。

 

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

 

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)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(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1mAfuzaidianliudedianlubufenhuozhezaimouxiegongzuomoshixiaguanbiyijieshenggonghaodebufeneryan
，zheshiyigeshiyongdeyingyong。zhegeqianzaidejianfengzaixitongzhongchanshengleewaidezaosheng，kenenghuidaozhibuliangchuanrao。

 

 

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