【導讀】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)人認為穿心磁珠更接近于電感，其在實(shí)際應用中也較為少見(jiàn)，尤其是在目前產(chǎn)品小型化趨勢的要求，貼片磁珠更具優(yōu)勢。本文圍繞用于儀表生產(chǎn)的貼片磁珠展開(kāi)，希望能夠對讀者有所幫助。
電子產(chǎn)品內部包含眾多磁元件，這些器件占據了產(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)中復雜多變的參數，也許是由于磁元件看起來(lái)過(guò)于簡(jiǎn)單，多數工程師在設計產(chǎn)品中習慣于忽視它們。我們知道在開(kāi)關(guān)電源設計中，為了做到更高的轉換效率，設計者需要充分掌握變壓器繞組、氣隙以及 PFC 電感等參數的設計技巧。在進(jìn)行 EMI 濾波器設計時(shí)，我們往往側重于去看磁元件的感抗和阻抗參數，而忽視了許多關(guān)鍵的參數。本系列文章旨在讓讀者進(jìn)一步認識磁元件中的各種特性，希望能夠幫助讀者在實(shí)際項目中更為準確的選擇磁元件，更快速的分析問(wèn)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)人認為穿心磁珠更接近于電感，其在實(shí)際應用中也較為少見(jiàn)，尤其是在目前產(chǎn)品小型化趨勢的要求，貼片磁珠更具優(yōu)勢。本文圍繞用于儀表生產(chǎn)的貼片磁珠展開(kāi)，希望能夠對讀者有所幫助。
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字開(kāi)關(guān)噪聲耦合到敏感的模擬電源網(wǎng)絡(luò )，降低轉換器性能，但獨立的供電會(huì )增加系統級復雜性和制造成本。通常會(huì )選擇鐵氧體磁珠針對電源網(wǎng)絡(luò )采取適當的高頻隔離。鐵氧體磁珠是無(wú)源器件，可在寬頻率范圍內過(guò)濾高頻噪聲。它在目標頻率范圍內具有電阻特性，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，磁珠兩側通常對地接適當容值的電容，組成濾波網(wǎng)絡(luò )，降低PDN電源網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)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(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測量的ZRX曲線(xiàn)
Jefferson Eco在其文章中給出了四個(gè)參數的結果，其計算過(guò)程也很簡(jiǎn)單，這里就不贅述了。具體數值為RDC=300mΩ，CPAR=1.678pH，LBEAD=1.208μH，RAC=1.082kΩ。從計算結果來(lái)看，磁珠的等效模型為L(cháng)CR并聯(lián)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(gè)參數中最重要的一個(gè)參數，正是由于RAC的存在，磁珠才稱(chēng)為磁珠，否則組成的模型只能稱(chēng)為電阻，也正是由于RAC的存在，才會(huì )有下圖中的阻抗曲線(xiàn)。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(huì )發(fā)現其諧振頻率剛好是阻抗曲線(xiàn)的最高點(diǎn)。當RLC并聯(lián)電路諧振時(shí)，電路導納Y(jω) =G=1/R，也就是說(shuō)諧振點(diǎn)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(xiàn)
當電路工作方式類(lèi)似于電流源時(shí)(我們知道共模噪聲的特征類(lèi)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，因為RLC并聯(lián)諧振電路中的Q=ωLR=RωC=R，因此品質(zhì)因數Q與RAC是直接相關(guān)的，與其說(shuō)極端情況下磁珠的加入導致了電路中噪聲被抬高，不如說(shuō)是磁珠中RAC的值導致電路中噪聲的抬高。
實(shí)際磁珠內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)材料的電導率約為10e-2級別，磁導率約為100。介質(zhì)的電導率和內部電極尺寸共同決定RAC和CPAR以及RDC的值，磁導率和內電極尺寸共同決定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，內部電極共有4匝。
圖3 磁珠的內部結構
從結果中可以看出，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(xiàn)
由于磁珠的內電極整體被鐵氧體材料包裹，所以磁珠本身?yè)碛型暾拇牌帘?，其外部磁?chǎng)的泄露較小。因此在進(jìn)行layout時(shí)，不需要考慮磁珠周?chē)欠翊嬖诿舾须娐?，也不需要刻意的挖空磁珠下方的地層?/div>
圖5 磁珠在最高阻抗頻率下的磁場(chǎng)分布
2、磁珠的插損
在濾波電路設計中，插損是最能夠體現濾波電路特性的參數。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對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(guò)器件自身發(fā)熱的方式將其轉換為另一種能量。然而插損參數并不會(huì )反映出電路系統的阻尼特性，這也正是多數設計人員最為頭疼的事情，往往正確參數的器件應用在電路中，結果卻和下面幾節中介紹的類(lèi)似，電路噪聲不降反升了。
下圖為昌暉儀表的測試系統，采用網(wǎng)絡(luò )分析儀和特制夾具，用于測試磁珠等器件的S參數。當采用一顆600R的磁珠進(jìn)行測試時(shí)，其結果如圖所示。
圖6 采用網(wǎng)絡(luò )分析儀測試磁珠插損
圖7 磁珠的插損曲線(xiàn)
因為給出的阻抗曲線(xiàn)不夠清晰，這里近似估算LBEAD=1.59μH，CPAR=0.7pF，RDC=600mΩ，RAC=680Ω，采用該參數計算得到的插損曲線(xiàn)如下圖所示?？梢钥闯?，計算出的結果與測試相比，在高頻插損更低一些，我們假設測試設備經(jīng)過(guò)了準確的校準，所以導致測試結果的差異就是產(chǎn)品阻抗參數曲線(xiàn)不準確！根據測試的插損最低點(diǎn)為90.74MHz，插損18.188dB，將測試系統中的參數寫(xiě)入軟件，經(jīng)過(guò)重新計算，得到該磁珠的LBEAD=1.59μH，CPAR=2.1pF，RDC=600mΩ，RAC=715Ω。修正后的插損曲線(xiàn)和阻抗曲線(xiàn)分布如下圖所示。我們看修正后的插損曲線(xiàn)，Mark點(diǎn)的插損參數與實(shí)際測試的幾乎完全一致。
圖8 根據產(chǎn)品阻抗曲線(xiàn)計算得到的插損曲線(xiàn)
圖9 修正后的插損曲線(xiàn)
圖10 修正后的阻抗曲線(xiàn)
相對于電感，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(shí)現較大的插損值，實(shí)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(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(kāi)關(guān)頻率為200khz，占空比50%，我們需要查看各器件的波形和開(kāi)關(guān)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L(cháng)ISN接收到的傳導噪聲，可以看到開(kāi)關(guān)電源本身的諧波是比較豐富的。200Khz的開(kāi)關(guān)頻率，其諧波一直延伸到20MHz還明顯可見(jiàn)。電源開(kāi)關(guān)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，這里卻為非0值，這是為何呢？這個(gè)問(wèn)題留給讀者思考。
圖15 LISN端接收到的傳導噪聲
把上節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開(kāi)關(guān)噪聲的濾波效果。這里肯定有人要問(wèn)，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(lèi)似想法的讀者請先靜下心來(lái)繼續向下看。從結果中可以看出即使是高頻磁珠，對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接收到的傳導噪聲也有一定程度下降(注意這里是線(xiàn)型值，當轉換為對數值時(shí)這點(diǎn)下降可以忽略不計)。
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 接收到的傳導噪聲對比
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(lèi)似做法會(huì )產(chǎn)生一種問(wèn)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(méi)有濾波措施下的電源噪聲。讓人失望的是，一定數量的工程師會(huì )因為對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(lái)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接收到的傳導噪聲
當低通濾波器網(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。濾波結果為欠阻尼。下圖顯示的是TDK MPZ1608S101A測量阻抗與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)(文獻提供)。阻性元件(與干擾能量的耗散有關(guān))在達到大約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。對于300kHz到5MHz范圍內的典型開(kāi)關(guān)頻率，需要更多阻尼來(lái)降低濾波器Q值。
圖21(a) A TDK MPZ1608S101A ZRX曲線(xiàn)；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(gè)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(100?，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(wú)阻尼鐵氧體磁珠濾波器可能表現出從約10dB到約15dB的尖峰，具體取決于濾波器電路Q(chēng)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范圍內可見(jiàn)。如果該尖峰出現在開(kāi)關(guān)穩壓器的工作頻段內，那么可能會(huì )有問(wèn)題。它會(huì )放大干擾開(kāi)關(guān)偽像，嚴重影響敏感負載的性能，比如鎖相環(huán)(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)，但對于只需要數微安到1mA負載電流的電路部分或者在某些工作模式下關(guān)閉以節省功耗的部分而言，這是一個(gè)實(shí)用的應用。這個(gè)潛在的尖峰在系統中產(chǎn)生了額外的噪聲，可能會(huì )導致不良串擾。
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