【導(dǎo)讀】磁珠是眾多磁元件的一種，磁珠又分為穿心磁珠和貼片磁珠。筆者個(gè)人認(rèn)為穿心磁珠更接近于電感，其在實(shí)際應(yīng)用中也較為少見，尤其是在目前產(chǎn)品小型化趨勢(shì)的要求，貼片磁珠更具優(yōu)勢(shì)。本文圍繞用于儀表生產(chǎn)的貼片磁珠展開，希望能夠?qū)ψx者有所幫助。
電子產(chǎn)品內(nèi)部包含眾多磁元件，這些器件占據(jù)了產(chǎn)品成本較多的比重。隨手找一個(gè)產(chǎn)品，我們都可以很直接的看到各種電感、磁珠、變壓器等。然而，或許是由于磁學(xué)中復(fù)雜多變的參數(shù)，也許是由于磁元件看起來過于簡(jiǎn)單，多數(shù)工程師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品中習(xí)慣于忽視它們。我們知道在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，為了做到更高的轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計(jì)者需要充分掌握變壓器繞組、氣隙以及 PFC 電感等參數(shù)的設(shè)計(jì)技巧。在進(jìn)行 EMI 濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，我們往往側(cè)重于去看磁元件的感抗和阻抗參數(shù)，而忽視了許多關(guān)鍵的參數(shù)。本系列文章旨在讓讀者進(jìn)一步認(rèn)識(shí)磁元件中的各種特性，希望能夠幫助讀者在實(shí)際項(xiàng)目中更為準(zhǔn)確的選擇磁元件，更快速的分析問題的原因。
磁珠是眾多磁元件的一種，磁珠又分為穿心磁珠和貼片磁珠。筆者個(gè)人認(rèn)為穿心磁珠更接近于電感，其在實(shí)際應(yīng)用中也較為少見，尤其是在目前產(chǎn)品小型化趨勢(shì)的要求，貼片磁珠更具優(yōu)勢(shì)。本文圍繞用于儀表生產(chǎn)的貼片磁珠展開，希望能夠?qū)ψx者有所幫助。
1、鐵氧體磁珠
PCB中不同頻率和功率特性的模擬和數(shù)字IC通常采用不同的電源網(wǎng)絡(luò)供電。這樣有助于防止快速數(shù)字開關(guān)噪聲耦合到敏感的模擬電源網(wǎng)絡(luò)，降低轉(zhuǎn)換器性能，但獨(dú)立的供電會(huì)增加系統(tǒng)級(jí)復(fù)雜性和制造成本。通常會(huì)選擇鐵氧體磁珠針對(duì)電源網(wǎng)絡(luò)采取適當(dāng)?shù)母哳l隔離。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。一般情況下，鐵氧體磁珠主要用在PDN電源網(wǎng)絡(luò)中，磁珠兩側(cè)通常對(duì)地接適當(dāng)容值的電容，組成濾波網(wǎng)絡(luò)，降低PDN電源網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)噪聲。鐵氧體磁珠的等效電路模型為一個(gè)由電阻、電感和電容組成的電路。如下圖所示。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)。
圖1(a) 鐵氧體磁珠的簡(jiǎn)化電路模型；圖1(b) 鐵氧體磁珠采用TycoElectronics BMB2A1000LN2測(cè)量的ZRX曲線
Jefferson Eco在其文章中給出了四個(gè)參數(shù)的結(jié)果，其計(jì)算過程也很簡(jiǎn)單，這里就不贅述了。具體數(shù)值為RDC=300mΩ，CPAR=1.678pH，LBEAD=1.208μH，RAC=1.082kΩ。從計(jì)算結(jié)果來看，磁珠的等效模型為L(zhǎng)CR并聯(lián)諧振電路，RDC所貢獻(xiàn)的作用忽略不計(jì)。采用CST建立起該磁珠模型，得到阻抗參數(shù)如下所示，可以看到結(jié)果整體是一致的。
RAC是組成磁珠四個(gè)參數(shù)中最重要的一個(gè)參數(shù)，正是由于RAC的存在，磁珠才稱為磁珠，否則組成的模型只能稱為電阻，也正是由于RAC的存在，才會(huì)有下圖中的阻抗曲線。我們都知道LC諧振頻率的計(jì)算公式，若是計(jì)算CPAR和LBEAD組成的諧振電路諧振頻率，你會(huì)發(fā)現(xiàn)其諧振頻率剛好是阻抗曲線的最高點(diǎn)。當(dāng)RLC并聯(lián)電路諧振時(shí)，電路導(dǎo)納Y(jω) =G=1/R，也就是說諧振點(diǎn)對(duì)應(yīng)的阻抗值為RAC的值。
圖2 采用CST計(jì)算得到的磁珠阻抗曲線
當(dāng)電路工作方式類似于電流源時(shí)(我們知道共模噪聲的特征類似于電流源)，RLC(即磁珠)電路上電壓為U=RACI。此時(shí)，磁珠的加入會(huì)造成電路噪聲的抬高。同樣的，因?yàn)镽LC并聯(lián)諧振電路中的Q=ωLR=RωC=R，因此品質(zhì)因數(shù)Q與RAC是直接相關(guān)的，與其說極端情況下磁珠的加入導(dǎo)致了電路中噪聲被抬高，不如說是磁珠中RAC的值導(dǎo)致電路中噪聲的抬高。
實(shí)際磁珠內(nèi)部由多層的鐵氧體介質(zhì)和螺旋狀的電極組成，鐵氧體介質(zhì)材料的電導(dǎo)率約為10e-2級(jí)別，磁導(dǎo)率約為100。介質(zhì)的電導(dǎo)率和內(nèi)部電極尺寸共同決定RAC和CPAR以及RDC的值，磁導(dǎo)率和內(nèi)電極尺寸共同決定LBEAD的值。如下圖中的一顆在PCB上的磁珠，其外形尺寸為4×4.6×1.85mm，內(nèi)部電極共有4匝。
圖3 磁珠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
從結(jié)果中可以看出，該磁珠的LBEAD感值約為3.2uH，CPAR約為3.6pF，RAC約為1207Ω。
圖4 磁珠模型的阻抗曲線
由于磁珠的內(nèi)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(chǎng)的泄露較小。因此在進(jìn)行l(wèi)ayout時(shí)，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(chǎng)分布
2、磁珠的插損
在濾波電路設(shè)計(jì)中，插損是最能夠體現(xiàn)濾波電路特性的參數(shù)。在產(chǎn)品的整改中，考慮器件選擇時(shí)，我們首先會(huì)去看器件的插損特性。插損可以綜合反映電路系統(tǒng)對(duì)電磁能量的消耗能力，這種消耗既可以是反射回源端，也可以通過器件自身發(fā)熱的方式將其轉(zhuǎn)換為另一種能量。然而插損參數(shù)并不會(huì)反映出電路系統(tǒng)的阻尼特性，這也正是多數(shù)設(shè)計(jì)人員最為頭疼的事情，往往正確參數(shù)的器件應(yīng)用在電路中，結(jié)果卻和下面幾節(jié)中介紹的類似，電路噪聲不降反升了。
下圖為昌暉儀表的測(cè)試系統(tǒng)，采用網(wǎng)絡(luò)分析儀和特制夾具，用于測(cè)試磁珠等器件的S參數(shù)。當(dāng)采用一顆600R的磁珠進(jìn)行測(cè)試時(shí)，其結(jié)果如圖所示。
圖6 采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試磁珠插損
圖7 磁珠的插損曲線
因?yàn)榻o出的阻抗曲線不夠清晰，這里近似估算LBEAD=1.59μH，CPAR=0.7pF，RDC=600mΩ，RAC=680Ω，采用該參數(shù)計(jì)算得到的插損曲線如下圖所示。可以看出，計(jì)算出的結(jié)果與測(cè)試相比，在高頻插損更低一些，我們假設(shè)測(cè)試設(shè)備經(jīng)過了準(zhǔn)確的校準(zhǔn)，所以導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的差異就是產(chǎn)品阻抗參數(shù)曲線不準(zhǔn)確！根據(jù)測(cè)試的插損最低點(diǎn)為90.74MHz，插損18.188dB，將測(cè)試系統(tǒng)中的參數(shù)寫入軟件，經(jīng)過重新計(jì)算，得到該磁珠的LBEAD=1.59μH，CPAR=2.1pF，RDC=600mΩ，RAC=715Ω。修正后的插損曲線和阻抗曲線分布如下圖所示。我們看修正后的插損曲線，Mark點(diǎn)的插損參數(shù)與實(shí)際測(cè)試的幾乎完全一致。
圖8 根據(jù)產(chǎn)品阻抗曲線計(jì)算得到的插損曲線
圖9 修正后的插損曲線
圖10 修正后的阻抗曲線
相對(duì)于電感，磁珠的插入損耗特性是偏小的，電路中單獨(dú)使用LC濾波，可以實(shí)現(xiàn)較大的插損值，實(shí)測(cè)中甚至可以做到80dB的插損。但是單獨(dú)使用LC濾波，當(dāng)頻率高出LC諧振頻率時(shí)，其插損值將會(huì)迅速減小，這是我們不愿意看到的，此時(shí)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(jì)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(jìn)行噪聲抑制和改善的例子。如下圖所示，可以看到，磁珠對(duì)于IC噪聲有明顯的隔離作用。
圖12 用磁珠進(jìn)行噪聲抑制和改善的實(shí)例
下面采用ANSYS Simplorer建立一個(gè)Buck電路，輸入10V，輸出3.5V，開關(guān)頻率為200khz，占空比50%，我們需要查看各器件的波形和開關(guān)管在輸入端的傳導(dǎo)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L(zhǎng)ISN接收到的傳導(dǎo)噪聲，可以看到開關(guān)電源本身的諧波是比較豐富的。200Khz的開關(guān)頻率，其諧波一直延伸到20MHz還明顯可見。電源開關(guān)管占空比為50%，理論上50%占空比下的偶次諧波幅值應(yīng)該為0，這里卻為非0值，這是為何呢？這個(gè)問題留給讀者思考。
圖15 LISN端接收到的傳導(dǎo)噪聲
把上節(jié)中的磁珠等效電路加入電源輸入端，如下圖所示，查看磁珠在電路中對(duì)開關(guān)噪聲的濾波效果。這里肯定有人要問，為什么選擇高頻(100MHz)阻抗最高的磁珠去處理低頻噪聲，抱有類似想法的讀者請(qǐng)先靜下心來繼續(xù)向下看。從結(jié)果中可以看出即使是高頻磁珠，對(duì)電源噪聲也有一定的衰減，下圖中可以看出，電感上電壓紋波明顯減小，LISN接收到的傳導(dǎo)噪聲也有一定程度下降(注意這里是線型值，當(dāng)轉(zhuǎn)換為對(duì)數(shù)值時(shí)這點(diǎn)下降可以忽略不計(jì))。
圖16 加入磁珠等效電路后的BUCK電路
圖17 加入磁珠等效電路后各元件上的電壓波形
圖18 加入磁珠前后 LISN 接收到的傳導(dǎo)噪聲對(duì)比
總有些好事者采用磁珠替代電感，放在電源輸入端，與電容組成濾波電路，如下圖所示。采用類似做法會(huì)產(chǎn)生一種問題，電源輸入輸入端在低頻段會(huì)有非常大的反諧振產(chǎn)生。如下圖LISN結(jié)果所示，1MHz以后的噪聲均有明顯的下降。然而0.6MHz以前的噪聲幅值甚至高于沒有濾波措施下的電源噪聲。讓人失望的是，一定數(shù)量的工程師會(huì)因?yàn)閷?duì)電感的不了解而直接選擇增加電容容值，殊不知此時(shí)電容容值越大，低頻噪聲越高，整改起來往往是一頭霧水。
圖19 在輸入端加10nF 電容和磁珠(等效電路替代)時(shí)的BUCK電路
圖20 三種情況下LISN接收到的傳導(dǎo)噪聲
當(dāng)?shù)屯V波器網(wǎng)絡(luò)(由鐵氧體磁珠電感和高Q去偶電容組成)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。下圖顯示的是TDK MPZ1608S101A測(cè)量阻抗與頻率的關(guān)系曲線(文獻(xiàn)提供)。阻性元件(與干擾能量的耗散有關(guān))在達(dá)到大約20 MHz到30MHz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0.1MHz到10MHz范圍內(nèi)。對(duì)于300kHz到5MHz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。
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(yīng)
上顯示了此效應(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?，3A，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10dB到約15dB的尖峰，具體取決于濾波器電路Q值。圖4b中，尖峰出現(xiàn)在2.5MHz左右，增益高達(dá)10dB。
此外，信號(hào)增益在1MHz到3.5MHz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1mA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)_。
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