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揭秘可保持共享电源供电轨高频隔离的铁氧体磁珠

Jefferson A Eco?? Aldrick S Limjoco?? 2016年03月31日 ?? 收藏2

LC 谐振效应

当铁氧体磁珠与去耦电容一同应用时,可能产生谐振尖峰。这 个经常被忽视的效应可能会损害性能,因为它可能会放大给定 系统的纹波和噪声,而非衰减它们。很多情况下,此尖峰发生 在DC-DC 转换器的常用开关频率附近。

当低通滤波器网络(由铁氧体磁珠电感和高Q 去耦电容组成) 的谐振频率低于磁珠的交越频率时,发生尖峰。滤波结果为欠 阻尼。图4a 显示的是TDK MPZ1608S101A 测量阻抗与频率的 关系曲线。阻性元件(与干扰能量的耗散有关)在达到大约20 MHz 到30 MHz 范围之前影响不大。低于此频率则铁氧体磁珠 依然具有极高的Q 值,且用作理想电感。典型铁氧体磁珠滤波 器的LC 谐振频率一般位于0.1 MHz 到10 MHz 范围内。对于300 kHz 到5 MHz 范围内的典型开关频率,需要更多阻尼来降低滤 波器Q 值。

图4. (a) A TDK MPZ1608S101A ZRX曲线 (b) 铁氧体磁珠和电容 低通滤波器的S21 响应。
图4. (a) A TDK MPZ1608S101A ZRX曲线 (b) 铁氧体磁珠和电容 低通滤波器的S21 响应。

图4b 显示了此效应的一个示例;图中,磁珠的S21 频率响应和 电容低通滤波器显示了峰值效应。此例中使用的铁氧体磁珠是 TDK MPZ1608S101A(100 Ω,3 A,0603),使用的去耦电容 是Murata GRM188R71H103KA01 低ESR 陶瓷电容(10 nF,X7R, 0603)。负载电流为微安级别。

无阻尼铁氧体磁珠滤波器可能表现出从约10 dB 到约15 dB的尖 峰,具体取决于滤波器电路Q 值。图4b 中,尖峰出现在2.5 MHz 左右,增益高达10 dB。

此外,信号增益在1 MHz 到3.5 MHz 范围内可见。如果该尖峰 出现在开关稳压器的工作频段内,那么可能会有问题。它会放 大干扰开关伪像,严重影响敏感负载的性能,比如锁相环 (PLL)、 压控振荡器 (VCO) 和高分辨率模数转换器 (ADC)。图4b 中显示 的结果为采用极轻负载(微安级别),但对于只需要数微安到1 mA 负载电流的电路部分或者在某些工作模式下关闭以节省功 耗的部分而言,这是一个实用的应用。这个潜在的尖峰在系统 中产生了额外的噪声,可能会导致不良串扰。

例如,图5 显示了一个ADP5071 应用电路,该电路采用了磁珠滤 波器;图6 显示了正输出端的频谱曲线。开关频率设为2.4 MHz, 输入电压设为9 V,输出电压设为16 V,负载电流设为5 mA。

图5. ADP5071 应用电路(带磁珠和电容低通滤波器,部署在正 输出端)
图5. ADP5071 应用电路(带磁珠和电容低通滤波器,部署在正 输出端)

图6. ADP5071 频谱输出(5 mA 负载)。
图6. ADP5071 频谱输出(5 mA 负载)。

由于磁珠的电感和10 nF 陶瓷电容,谐振尖峰出现在约2.5 MHz 处。出现了10 dB 增益,而非衰减2.4 MHz 处的基频纹波频率。

影响谐振尖峰的其他因素是铁氧体磁珠滤波器的串联阻抗和负 载阻抗。在较电源内阻下,尖峰大幅下降,并被阻尼所减弱。 然而,采用这种方法会导致负载调节下降,从而失去实用性。 由于串联电阻下降,输出电压随负载电流而下降。负载阻抗还 会影响峰值响应。轻载条件下的尖峰更严重。

阻尼方法

本节介绍三种阻尼方法,系统工程师可用来大幅降低谐振尖峰 电平(见图7)。

图7. 不同阻尼方法的实际频率响应。
图7. 不同阻尼方法的实际频率响应。

方法A 是在去耦电容路径上添加一个串联电阻,可抑制系统谐 振,但会降低高频旁路有效性。方法B 是在铁氧体磁珠两端添 加一个小数值并联电阻,这样也会抑制系统谐振。但是,在高 频时滤波器的衰减特性会下降。图8 显示了MPZ1608S101A 使 用和不使用10 Ω 并联电阻的情况下阻抗与频率的关系曲线。浅 绿色虚线表示磁珠采用10 Ω 并联电阻的总阻抗。磁珠阻抗和电 阻组合大幅下降,并主要由10 Ω 电阻决定。但是,采用10 Ω 并联电阻时的3.8 MHz 交越频率远低于磁珠自身在40.3 MHz 时 的交越频率。在低得多的频率范围内磁珠表现出阻性,可降低Q 值,改善阻尼性能。

图8. (a) MPZ1608S101A ZRX曲线 (b) MPZ1608S101A ZRX曲线,缩放视图。
图8. (a) MPZ1608S101A ZRX曲线 (b) MPZ1608S101A ZRX曲线,缩放视图。

方法C 是添加大电容 (CDAMP) 与串联阻尼电阻 (RDAMP) 的组合,通常这种方法最佳。

添加电容和电阻可抑制系统谐振,同时不会降低高频时的旁路 有效性。采用此种方法可以避免大隔直电容导致电阻功耗过大。 该电容必须远大于所有去耦电容之和,这降低了所需的阻尼电 阻值。在谐振频率处,电容阻抗必须远小于阻尼电阻,以便减 少尖峰。

图9 显示了ADP5071 正输出频谱曲线,其应用电路采用阻尼方 法C,如图5 所示。CDAMP 和RDAMP 分别是1 μF 陶瓷电容和2 Ω SMD 电阻。2.4 MHz 时的基频纹波降低5 dB 增益,而非图9 中 显示的10 dB 增益。

图9. 采用阻尼方法C时的ADP5071频谱输出以及磁珠和电容低通滤波器。
图9. 采用阻尼方法C时的ADP5071频谱输出以及磁珠和电容低通滤波器。

一般而言,方法C 最为优雅,通过添加一个电阻和陶瓷电容的 串联组合实现,无需购买昂贵的专用阻尼电容。比较可靠的设 计始终包含电阻,可在原型制作时方便调试,如果不需要还可 移除。唯一缺点是额外的元件成本和更多的电路板占位空间。

结论

本文讨论了使用铁氧体磁珠时必须考虑的关键因素。本文还详 细介绍了一个简单的电路模型,表示磁珠。仿真结果在零直流 偏置电流处表现出良好的实际测量阻抗与频率响应的相关性。

本文还讨论了直流偏置电流对铁氧体磁珠特性的影响。结果表 明超过额定电流20%的直流偏置电流可能会导致磁珠电感的大 幅下降。这样的电流还会降低磁珠的有效阻抗,削弱EMI 滤波 能力。在供电轨上以直流偏置电流方式使用铁氧体磁珠时,应 确保电流不会导致铁氧体材料饱和以及产生电感的大幅变化。

由于铁氧体磁珠是感性的,将其与高Q 值去耦电容一同使用时 应当非常谨慎。如果不谨慎,会在电路中产生干扰谐振,弊大 于利。本文中提出的阻尼方法在负载上采用大去耦电容与阻尼 电阻的串联组合,从而避免了干扰谐振。正确使用铁氧体磁珠 可以高效而廉价地降低高频噪声和开关瞬变。


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铁氧体磁珠? 电源系统? ADI?

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