谈谈磁珠

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磁珠,一般可以分为高Q磁珠(用于信号线上)和低Q磁珠(用于电源线上)[1]。

今天的文章,主要关注点在低Q磁珠,即磁珠在电源线上的应用。磁珠在电源线上时,主要通过将噪声能量通过热量给耗散掉,这是非常理想的一种滤波方式。就像射频上的滤波器或者开关时,吸收式的对整个链路的特性肯定要优于反射式的。

磁珠电源线上

磁珠的特性

(1) 频率阻抗曲线[2]

由频率阻抗曲线可知,磁珠会有三种响应区域:

X>R 磁珠呈现感性

X=R磁珠开始呈现阻性

R=-X 磁珠开始呈现容性

磁珠的特性

使用过程中,需要使得需要滤波的频率处在磁珠的阻性区域,而且应该是感性相对比较小的区域。

磁珠的Impedance VSfrequency(MHz)的图

上图是一个磁珠的Impedance VSfrequency(MHz)的图。现在,想滤除一个100MHz的噪声,这个磁珠合适么?其实是不合适的,虽然这款磁珠在80MHz左右,R=X,开始呈现阻性,但是在100MHz左右的时候,其实还是有比较大的感性,用在电源线上滤波的时候,可能会产生振荡。这款磁珠,其实是最优的噪声抑制性能,在300MHz左右。

(2)直流偏置电流(DC biascurrent consideration)对磁珠性能的影响

直流偏置电流对阻抗的影响


上图是村田给的直流偏置电流对阻抗的影响图[3],可以看到,随着电流的增加,阻抗开始减小。器件手册上给出的rated current是指给定温升下,磁珠所能通过的最大电流,而非指在该电流下,磁珠仍然能保持在零直流偏置下的阻抗。

为了能够有效地进行电源滤波,对磁珠进行20%的rated current降额设计,是比较靠谱的选择。

(3) LC谐振效应

在电源线上,一般都是Rs很小,RL比较大的情况。取一个极端情况,RS=0,RL=无穷大。进行简单推算,如下图。

进行简单推算

所以这种振荡发生的可能性还是比较大的。

对LC串联电路,进行仿真,增益响应曲线如下图所示,可以看到在3MHz的时候,有凸起,且大约为11dB左右。

增益响应曲线

对上述电路进行时域仿真,分别输入10KHz和3.3MHz的正弦信号,仿真结果如下图所示。

仿真结果

可以看到,在10KHz正弦输入时,输入和输出信号基本一致,但是当输入频率增加到3.3MHz正弦输入(对应凸起的频点)时,输出信号幅度约为输入信号幅度的4倍。

所以,如果电路设计不合适的话,滤波电路反而变成放大电路了。

那碰到这种LC振荡,该怎么解决呢?

可以通过加大后级的电容[1]。

将电路修改如下[4]:

将电路修改如下

(4)直流电阻

选择磁珠时,要关注其直流电阻的大小。如果被供电的器件(特别是数字器件),偶尔会有大电流。比如说选了一个直流电阻为0.7ohm的磁珠,被供电器件的要求电压为1.1V,偶尔芯片会消耗400mA电流,则此时经过磁珠后能给芯片的电压降到了0.82V,这可能会使芯片工作不正常。而且,由于大电流为瞬态发生,你就很难观察到这个现象。

其他

除了以上需注意的磁珠特性外,磁珠使用时,还有一点需要注意。

有一些数字器件,在工作时,电流是变化的。

有些磁珠和铁氧体磁芯的电感,在构造上基本是相同的,除了磁珠采用的是损耗更大的铁氧体磁芯。

因此,磁珠和电感一样,是抑制电流的快速变化的。

所以需要在磁珠的下游端(即被供电的芯片端)加一电容到地,要不,芯片可能会不正常工作【5】。

比如,输入信号均为3V的直流电压,负载为一周期变化的电流源,对磁珠后面接一电容到地以及磁珠后面无电容接地的两种情况进行仿真。

仿真

由仿真结果可知,在电流变化过程中,左图的电压基本保持不变,但是右图的电压则变得非常不合理了。

所以,使用磁珠时,在使用条件已知的情况下,可以借助仿真软件仿真一下,以减少犯错的可能性。

参考文献:

文献[1]: N-583 Application Note, DesigningPower Isolation Filters with Ferrite Beads for Altera FPGAs. Altera Corporation

文献[2]: https://www.doc88.com/p-3498479621107.html

文献[3]:https://www.murata.com/en-us/products/emiconfun/emc/2013/11/14/en-20131114-p1

文献4:Jefferson Eco and Aldrick Limjoco, Ferrite Beads Demystifed, Analog Devices, Inc

文献5:https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/choosing-and-using-ferrite-beads/

本文转载自:加油射频工程师

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