硬件|電路設(shè)計(jì)中，如何正確認(rèn)識(shí)磁珠的性能參數(shù)？
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最近有一些關(guān)于磁珠的介紹，剛好工作中也有一些應(yīng)用，有些了解到的知識(shí)點(diǎn)，在論壇大家分享。
1.基本介紹：
鐵氧體的磁珠在電路中用較多的應(yīng)用，鐵氧體珠是一種能在較寬頻率范圍內(nèi)濾除高頻噪聲能量的無源器件。它在預(yù)期設(shè)計(jì)的頻率范圍內(nèi)變得具有電阻性，并以熱的形式耗散噪聲能量。鐵氧體磁珠與電源串聯(lián)連接，通常與電容器組合在一起。
一般鐵氧體磁珠分為兩類：
一種是高Q值磁珠-通常用作諧振器，不能用于電源的隔離電路。
另一種是低Q值磁珠，其損耗更大，是很好的電路濾波器網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗鼈儽辉O(shè)計(jì)成吸收高頻噪聲電流并將其作為熱量散發(fā)。這類型的磁珠在寬高頻波段具有高阻抗，使它們成為理想的低通噪聲濾波器；
一般我們拿到磁珠的datasheet后，不同生產(chǎn)廠商的磁珠規(guī)格基本大同小異的，都會(huì)包含以下一些規(guī)格參數(shù)：阻抗@100MHz，額定電流（rated current），DCR阻值。如下圖村田磁珠所示
還會(huì)提供磁珠的通用等效模型，一般是LR串聯(lián)模型，詳細(xì)的SPICE等效模型需要進(jìn)一步像磁珠生產(chǎn)廠商咨詢
這些信息是磁珠的重要電氣參數(shù)，是在電路設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)斟酌考慮的參數(shù)。這些性能參數(shù)在不同直流偏置和電壓的情況下，是會(huì)發(fā)生變化，并不是datasheet中描述的一成不變。在電路設(shè)計(jì)中不當(dāng)使用鐵氧體珠就會(huì)導(dǎo)致一些危害的：造成不必要的共振。直流偏置電流的變化對(duì)磁珠的影響，降低了珠的EMI抑制能力。只有正確認(rèn)識(shí)和考慮鐵素體磁珠的性能參數(shù)了，這些問題是可以避免的。在這個(gè)帖文主要對(duì)磁珠的兩個(gè)方面的使用情況進(jìn)行討論：1.不同的直流偏置電流情況下，磁阻的阻抗頻率曲線會(huì)發(fā)生變化；2.磁珠和電容組成的電路會(huì)產(chǎn)生LC諧振效應(yīng)。在討論之前，先對(duì)磁珠的SPICE模型做一個(gè)簡要說明；
2.磁珠的簡要SPICE模型
鐵氧體磁珠可以被建模為由電阻、電感和電容組成的簡化電路，如下圖所示。RDC對(duì)應(yīng)于珠子的直流電阻。CPAR、LBEAD和RAC分別是寄生電容、磁珠電感和與磁珠相關(guān)聯(lián)的交流電阻(交流磁芯損耗)，這個(gè)模型和磁珠的datasheet描述的等效電路不一樣，更加詳細(xì)；
上圖的阻抗頻率曲線是以Tyco Electronics的BMB2A1000LN2多層鐵氧體珠為例。在直流偏置電流為零時(shí)的測試情況下得到的。根據(jù)廠家提供的SPICE模型，可以得到該磁珠的等效電路模型，如下圖所示：
除此之外，還有更復(fù)雜的SPICE模型，下圖是Chilisin-UPB321611T-600-N提供的參數(shù)，更加復(fù)雜。有這些模型，在仿真的時(shí)候得到數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，也有利于電路設(shè)計(jì)的預(yù)分析，選擇更加合適的磁珠用于實(shí)際電路?，F(xiàn)在有很多通用的磁珠模型可以借鑒，但是由磁珠生產(chǎn)廠商提供的SPICE模型，參考意義更大。
3.直流偏置電流的影響
鐵氧體磁珠的模型可用于噪聲濾波電路的設(shè)計(jì)和分析。例如，在低通濾波網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)結(jié)合去耦電容使用時(shí)，磁珠的電感特性有利于諧振頻率的設(shè)定。但上述的電路模型是一個(gè)直流偏置電流為零的近似，這個(gè)模型可能會(huì)隨著直流偏置電流而改變。尤其是在大功率應(yīng)用場合，選擇合適的鐵氧體磁珠不僅需要仔細(xì)考慮濾波器的帶寬，還需要考慮磁珠相對(duì)于直流偏置電流的阻抗特性。在大多數(shù)情況下，制造商只指定在100MHz的阻抗，并發(fā)布帶有零直流偏置電流頻率響應(yīng)曲線的數(shù)據(jù)表。然而，當(dāng)使用鐵氧體磁珠進(jìn)行電源濾波時(shí)，通過鐵氧體珠的負(fù)載電流永遠(yuǎn)不會(huì)為零，并且隨著直流偏置電流從零開始增加，這些參數(shù)都發(fā)生了顯著的變化。當(dāng)直流偏置電流增加時(shí)，鐵芯材料開始飽和，這將顯著降低鐵氧體珠的等效電感。電感飽和的程度取決于組件的核心所使用的材料。下圖顯示了兩個(gè)鐵氧體磁珠的電感的典型直流偏置關(guān)系。當(dāng)額定電流為50%時(shí)，電感降低高達(dá)90%。
不僅磁珠中等效電感會(huì)隨DC電流的增大而降低。電感的DC電流達(dá)到飽和電流的時(shí)候，電感值會(huì)降低30%左右。這個(gè)特性在電感的datasheet都會(huì)標(biāo)示出來，所以選擇電感的時(shí)候要注意飽和電流的選擇，應(yīng)用的DC電流不要超過飽和電流值。
為了實(shí)現(xiàn)有效濾除電源噪音的設(shè)計(jì)效果，通用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是使用額定直流電流約20%的鐵氧體磁珠。如下面兩個(gè)磁珠所示，對(duì)于6 A磁珠，流過磁珠的電流是額定電流的20%時(shí)候，電感的感值下降了30%。對(duì)于3A磁珠，流過磁珠的電流是額定電流的20%時(shí)候，電感的感值下降了15%。
鐵氧體磁珠的額定電流（rated current）是設(shè)備在某一特定溫升下所能承受的最大電流的指示，它不是用于實(shí)際工作濾波的實(shí)際工作點(diǎn)。下圖是Chilisin-UPB321611T-600-N的datasheet，其中明確指出rated current是溫升電流的概念；
此外，可以看到直流偏置電流的影響阻抗值在頻率上的降低，這反過來降低了鐵氧體珠的有效性及其消除電磁干擾的能力。上圖顯示了鐵氧體珠的阻抗隨直流偏置電流的變化。通過僅施加50%的額定電流，TDK MPZ1608S101A (100 ohm, 3A, 0603)有效阻抗在100MHz急劇下降從100 ohm到10 ohm，和WürthElektronik 742 792 510 (70 ohm,6A, 1812)，從70 ohm降低到15ohm。
而大多數(shù)磁珠的datasheet中標(biāo)注的阻抗頻率曲線基本是DC＜0.05A左右的情況下測試的，所以對(duì)于實(shí)際應(yīng)用需要和磁珠的生產(chǎn)廠商詳細(xì)咨詢。要不然磁珠起到不到濾除noise的效果，最后花了錢沒有實(shí)現(xiàn)很好的效果。關(guān)于這個(gè)datasheet中阻抗頻率曲線是如何測量的，和磁珠廠商有溝通，他們也說是小電流情況測試的。
為了更加適合產(chǎn)品的應(yīng)用，讓磁珠廠商測試了各種直流電流下的阻抗頻率曲線，得到的結(jié)果和上面的分析是一樣額：
因此，電路設(shè)計(jì)中，在應(yīng)用磁珠的時(shí)候需要意識(shí)到直流偏置電流對(duì)磁珠電感和有效阻抗的影響，因?yàn)樵诖蠊β实碾妷旱膽?yīng)用中是十分重要的。
4.LC諧振的影響
由于磁珠的電感特性，和電容組合引用的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生LC諧振的影響。此時(shí)LC電路沒有起到濾波的效果，反而放大波紋和噪聲，而不是衰減它。由鐵氧體磁珠電感和高Q去耦電容組成的低通濾波網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率低于磁珠的交叉頻率時(shí)出現(xiàn)峰值，產(chǎn)生的濾波器是欠阻尼的。下圖可以看到為TDK MPZ1608S101A測得的阻抗與頻率圖。電阻元件依賴于耗散多余的能量，直到達(dá)到約20 MHz至30 MHz范圍才變得重要。在這個(gè)頻率以下，鐵氧體珠仍然有一個(gè)非常高的Q值，并像一個(gè)理想的電感器。典型的磁珠濾波器的LC諧振頻率通常在0.1MHz到10 MHz范圍內(nèi)。對(duì)于典型的開關(guān)頻率300 kHz至5 MHz范圍內(nèi)，需要額外的阻尼來降低濾波器Q。
在許多情況下，這種諧振峰值多發(fā)生在dc-to-dc開關(guān)變換器的開關(guān)頻率附近。為了消除這種諧振峰值，需要增加damping電路來消除，常用的damping電路有以下三種：
方法A是在去耦電容路徑上增加一個(gè)串聯(lián)電阻，抑制系統(tǒng)的諧振，但在高頻時(shí)會(huì)降低旁路效率。在這里稍微做一個(gè)展開的，這種damping電路和PWM開關(guān)節(jié)點(diǎn)的snuber電路是不同的，雖然都是RC電路，但實(shí)現(xiàn)的目的是不一樣的。下圖的snubber電路是吸收PWM開關(guān)節(jié)點(diǎn)的overshoot電壓，防止擊穿下mos管。damping電路是改變Q值，降低諧振峰值。
關(guān)于snubber電路，需要靠近芯片進(jìn)行l(wèi)ayout，否則不僅不起作用，反而會(huì)帶來副作用。下圖是snubber電路的layout參考。
關(guān)于damping電路，靠近磁珠進(jìn)行l(wèi)ayout設(shè)計(jì)，減小環(huán)路。
方法B包括在鐵氧體珠上增加一個(gè)小的并聯(lián)電阻，這也可以抑制系統(tǒng)的諧振。在高頻率。下圖顯示了MPZ1608S101A有10ohm并聯(lián)電阻和沒有10ohm并聯(lián)電阻時(shí)的阻抗與頻率曲線。淺綠色的虛線曲線是磁珠并聯(lián)10ohm電阻的整體阻抗。磁珠和電阻組合的阻抗顯著降低，并由10ohm電阻控制。然而，帶有10ohm并聯(lián)電阻和磁珠的組合在3.8 MHz交叉頻率遠(yuǎn)低于磁珠自身40.3 MHz的交叉頻率。磁珠在更低的頻率范圍出現(xiàn)電阻性，降低了Q以改善阻尼性能。
方法C是將一個(gè)大電容(CDAMP)與一個(gè)串聯(lián)阻尼電阻(RDAMP)相加，使用電解電容，利用其ESR大的特點(diǎn)，替代串聯(lián)的電阻。這通常是一種最優(yōu)解決方案；這三種電路以及不使用dapming電路的，頻率響應(yīng)曲線如下，不使用dapming電路的Q值最大，產(chǎn)生的諧振峰值也是最大的。
以下以以帶有磁珠濾波器的ADP5071應(yīng)用電路為例，下圖顯示了正輸出端的頻譜圖。開關(guān)頻率設(shè)置為2.4 MHz，輸入電壓為9v，輸出電壓設(shè)置為16v，負(fù)載電流5ma。由于磁珠子和10nf陶瓷電容的諧振，共振峰值出現(xiàn)在2.5 MHz左右。不是衰減2.4 MHz的基本紋波頻率，而是產(chǎn)生10 dB的增益。
而下圖是采用方法C阻尼的ADP5071正輸出譜圖。CDAMP和RDAMP分別是1 μF陶瓷電容和2ohm SMD電阻。2.4 MHz時(shí)的基波紋波降低了5 dB。
5.小結(jié)
當(dāng)直流偏置電流大于額定電流的20%時(shí)，磁珠電感會(huì)顯著下降。這樣的電流也會(huì)降低磁珠的有效阻抗，降低其EMI濾波能力。在具有直流偏置電流的供電軌中使用鐵氧體微珠時(shí)，要保證電流不會(huì)引起鐵氧體材料飽和，并產(chǎn)生顯著的電感變化。
因?yàn)殍F氧體珠是感應(yīng)的，不建議用它與高Q去耦電容器。這樣做會(huì)在電路中產(chǎn)生不必要的共振，弊大于利。然而，常用的阻尼方法提供了一個(gè)簡單的解決方案，通過在負(fù)載上使用一個(gè)大的去耦電容與阻尼電阻串聯(lián)，從而避免不必要的共振。正確地應(yīng)用鐵氧體珠是一種降低高頻噪聲和開關(guān)瞬變的有效而廉價(jià)的方法。
本文系21ic論壇網(wǎng)友kk的回憶原創(chuàng)
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