硬件|电路设计中，如何正确认识磁珠的性能参数？
时间：2021-10-14 17:36:48
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最近有一些关于磁珠的介绍，刚好工作中也有一些应用，有些了解到的知识点，在论坛大家分享。
1.基本介绍：
铁氧体的磁珠在电路中用较多的应用，铁氧体珠是一种能在较宽频率范围内滤除高频噪声能量的无源器件。它在预期设计的频率范围内变得具有电阻性，并以热的形式耗散噪声能量。铁氧体磁珠与电源串联连接，通常与电容器组合在一起。
一般铁氧体磁珠分为两类：
一种是高Q值磁珠-通常用作谐振器，不能用于电源的隔离电路。
另一种是低Q值磁珠，其损耗更大，是很好的电路滤波器网络，因为它们被设计成吸收高频噪声电流并将其作为热量散发。这类型的磁珠在宽高频波段具有高阻抗，使它们成为理想的低通噪声滤波器；
一般我们拿到磁珠的datasheet后，不同生产厂商的磁珠规格基本大同小异的，都会包含以下一些规格参数：阻抗@100MHz，额定电流（rated current），DCR阻值。如下图村田磁珠所示
还会提供磁珠的通用等效模型，一般是LR串联模型，详细的SPICE等效模型需要进一步像磁珠生产厂商咨询
这些信息是磁珠的重要电气参数，是在电路设计中需要仔细斟酌考虑的参数。这些性能参数在不同直流偏置和电压的情况下，是会发生变化，并不是datasheet中描述的一成不变。在电路设计中不当使用铁氧体珠就会导致一些危害的：造成不必要的共振。直流偏置电流的变化对磁珠的影响，降低了珠的EMI抑制能力。只有正确认识和考虑铁素体磁珠的性能参数了，这些问题是可以避免的。在这个帖文主要对磁珠的两个方面的使用情况进行讨论：1.不同的直流偏置电流情况下，磁阻的阻抗频率曲线会发生变化；2.磁珠和电容组成的电路会产生LC谐振效应。在讨论之前，先对磁珠的SPICE模型做一个简要说明；
2.磁珠的简要SPICE模型
铁氧体磁珠可以被建模为由电阻、电感和电容组成的简化电路，如下图所示。RDC对应于珠子的直流电阻。CPAR、LBEAD和RAC分别是寄生电容、磁珠电感和与磁珠相关联的交流电阻(交流磁芯损耗)，这个模型和磁珠的datasheet描述的等效电路不一样，更加详细；
上图的阻抗频率曲线是以Tyco Electronics的BMB2A1000LN2多层铁氧体珠为例。在直流偏置电流为零时的测试情况下得到的。根据厂家提供的SPICE模型，可以得到该磁珠的等效电路模型，如下图所示：
除此之外，还有更复杂的SPICE模型，下图是Chilisin-UPB321611T-600-N提供的参数，更加复杂。有这些模型，在仿真的时候得到数据更加准确，也有利于电路设计的预分析，选择更加合适的磁珠用于实际电路。现在有很多通用的磁珠模型可以借鉴，但是由磁珠生产厂商提供的SPICE模型，参考意义更大。
3.直流偏置电流的影响
铁氧体磁珠的模型可用于噪声滤波电路的设计和分析。例如，在低通滤波网络中，当结合去耦电容使用时，磁珠的电感特性有利于谐振频率的设定。但上述的电路模型是一个直流偏置电流为零的近似，这个模型可能会随着直流偏置电流而改变。尤其是在大功率应用场合，选择合适的铁氧体磁珠不仅需要仔细考虑滤波器的带宽，还需要考虑磁珠相对于直流偏置电流的阻抗特性。在大多数情况下，制造商只指定在100MHz的阻抗，并发布带有零直流偏置电流频率响应曲线的数据表。然而，当使用铁氧体磁珠进行电源滤波时，通过铁氧体珠的负载电流永远不会为零，并且随着直流偏置电流从零开始增加，这些参数都发生了显著的变化。当直流偏置电流增加时，铁芯材料开始饱和，这将显著降低铁氧体珠的等效电感。电感饱和的程度取决于组件的核心所使用的材料。下图显示了两个铁氧体磁珠的电感的典型直流偏置关系。当额定电流为50%时，电感降低高达90%。
不仅磁珠中等效电感会随DC电流的增大而降低。电感的DC电流达到饱和电流的时候，电感值会降低30%左右。这个特性在电感的datasheet都会标示出来，所以选择电感的时候要注意饱和电流的选择，应用的DC电流不要超过饱和电流值。
为了实现有效滤除电源噪音的设计效果，通用的设计准则是使用额定直流电流约20%的铁氧体磁珠。如下面两个磁珠所示，对于6 A磁珠，流过磁珠的电流是额定电流的20%时候，电感的感值下降了30%。对于3A磁珠，流过磁珠的电流是额定电流的20%时候，电感的感值下降了15%。
铁氧体磁珠的额定电流（rated current）是设备在某一特定温升下所能承受的最大电流的指示，它不是用于实际工作滤波的实际工作点。下图是Chilisin-UPB321611T-600-N的datasheet，其中明确指出rated current是温升电流的概念；
此外，可以看到直流偏置电流的影响阻抗值在频率上的降低，这反过来降低了铁氧体珠的有效性及其消除电磁干扰的能力。上图显示了铁氧体珠的阻抗随直流偏置电流的变化。通过仅施加50%的额定电流，TDK MPZ1608S101A (100 ohm, 3A, 0603)有效阻抗在100MHz急剧下降从100 ohm到10 ohm，和WürthElektronik 742 792 510 (70 ohm,6A, 1812)，从70 ohm降低到15ohm。
而大多数磁珠的datasheet中标注的阻抗频率曲线基本是DC＜0.05A左右的情况下测试的，所以对于实际应用需要和磁珠的生产厂商详细咨询。要不然磁珠起到不到滤除noise的效果，最后花了钱没有实现很好的效果。关于这个datasheet中阻抗频率曲线是如何测量的，和磁珠厂商有沟通，他们也说是小电流情况测试的。
为了更加适合产品的应用，让磁珠厂商测试了各种直流电流下的阻抗频率曲线，得到的结果和上面的分析是一样额：
因此，电路设计中，在应用磁珠的时候需要意识到直流偏置电流对磁珠电感和有效阻抗的影响，因为在大功率的电压的应用中是十分重要的。
4.LC谐振的影响
由于磁珠的电感特性，和电容组合引用的时候会产生LC谐振的影响。此时LC电路没有起到滤波的效果，反而放大波纹和噪声，而不是衰减它。由铁氧体磁珠电感和高Q去耦电容组成的低通滤波网络的谐振频率低于磁珠的交叉频率时出现峰值，产生的滤波器是欠阻尼的。下图可以看到为TDK MPZ1608S101A测得的阻抗与频率图。电阻元件依赖于耗散多余的能量，直到达到约20 MHz至30 MHz范围才变得重要。在这个频率以下，铁氧体珠仍然有一个非常高的Q值，并像一个理想的电感器。典型的磁珠滤波器的LC谐振频率通常在0.1MHz到10 MHz范围内。对于典型的开关频率300 kHz至5 MHz范围内，需要额外的阻尼来降低滤波器Q。
在许多情况下，这种谐振峰值多发生在dc-to-dc开关变换器的开关频率附近。为了消除这种谐振峰值，需要增加damping电路来消除，常用的damping电路有以下三种：
方法A是在去耦电容路径上增加一个串联电阻，抑制系统的谐振，但在高频时会降低旁路效率。在这里稍微做一个展开的，这种damping电路和PWM开关节点的snuber电路是不同的，虽然都是RC电路，但实现的目的是不一样的。下图的snubber电路是吸收PWM开关节点的overshoot电压，防止击穿下mos管。damping电路是改变Q值，降低谐振峰值。
关于snubber电路，需要靠近芯片进行layout，否则不仅不起作用，反而会带来副作用。下图是snubber电路的layout参考。
关于damping电路，靠近磁珠进行layout设计，减小环路。
方法B包括在铁氧体珠上增加一个小的并联电阻，这也可以抑制系统的谐振。在高频率。下图显示了MPZ1608S101A有10ohm并联电阻和没有10ohm并联电阻时的阻抗与频率曲线。浅绿色的虚线曲线是磁珠并联10ohm电阻的整体阻抗。磁珠和电阻组合的阻抗显著降低，并由10ohm电阻控制。然而，带有10ohm并联电阻和磁珠的组合在3.8 MHz交叉频率远低于磁珠自身40.3 MHz的交叉频率。磁珠在更低的频率范围出现电阻性，降低了Q以改善阻尼性能。
方法C是将一个大电容(CDAMP)与一个串联阻尼电阻(RDAMP)相加，使用电解电容，利用其ESR大的特点，替代串联的电阻。这通常是一种最优解决方案；这三种电路以及不使用dapming电路的，频率响应曲线如下，不使用dapming电路的Q值最大，产生的谐振峰值也是最大的。
以下以以带有磁珠滤波器的ADP5071应用电路为例，下图显示了正输出端的频谱图。开关频率设置为2.4 MHz，输入电压为9v，输出电压设置为16v，负载电流5ma。由于磁珠子和10nf陶瓷电容的谐振，共振峰值出现在2.5 MHz左右。不是衰减2.4 MHz的基本纹波频率，而是产生10 dB的增益。
而下图是采用方法C阻尼的ADP5071正输出谱图。CDAMP和RDAMP分别是1 μF陶瓷电容和2ohm SMD电阻。2.4 MHz时的基波纹波降低了5 dB。
5.小结
当直流偏置电流大于额定电流的20%时，磁珠电感会显著下降。这样的电流也会降低磁珠的有效阻抗，降低其EMI滤波能力。在具有直流偏置电流的供电轨中使用铁氧体微珠时，要保证电流不会引起铁氧体材料饱和，并产生显著的电感变化。
因为铁氧体珠是感应的，不建议用它与高Q去耦电容器。这样做会在电路中产生不必要的共振，弊大于利。然而，常用的阻尼方法提供了一个简单的解决方案，通过在负载上使用一个大的去耦电容与阻尼电阻串联，从而避免不必要的共振。正确地应用铁氧体珠是一种降低高频噪声和开关瞬变的有效而廉价的方法。
本文系21ic论坛网友kk的回忆原创
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