磁珠是如何影响电源的完整性

1、前言

磁珠的全称为铁氧体磁珠滤波器（另有一种是非晶合金磁性材料制作的磁珠），是一种抗干扰元件，滤除高频噪声效果显著。

磁珠的主要原料为铁氧体。铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料，铁氧体材料为铁镁合金或铁镍合金，它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似，颜色为灰黑色。

二、磁珠基础知识

磁珠（Ferritebead）有很高的电阻率和磁导率，其等效电路是一个DCR电阻串联一个电感并联一个电容和一个电阻。DCR是一个恒定值，但后面三个元件都是频率的函数，也就是说它们的感抗，容抗和阻抗会随着频率的变化而变化，当然它们阻值，感值和容值都非常小。磁珠比普通的电感有更好的高频滤波特性，在高频时呈现阻性，所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗，从而提高调频滤波效果。磁珠的电路符号就是电感，但是型号上可以看出使用的是磁珠。在电路功能上，磁珠和电感是原理相同的，只是频率特性不同而已。

从等效电路中可以看到，当频率低于fL（LC谐振频率）时，磁珠呈现电感特性；当频率等于fL时，磁珠是一个纯电阻，此时磁珠的阻抗（impedance）最大；当频率高于谐振频率点fL时，磁珠则呈现电容特性。EMI选用磁珠的原则就是磁珠的阻抗在EMI噪声频率处最大。比如如果EMI噪声的最大值在200MHz，那你选择的时候就要看磁珠的特性曲线，其阻抗的最大值应该在200MHz左右。

下图是一个磁珠的实际的特性曲线图。大家可以看到这个磁珠的峰值点出现在1GHz左右，在峰点时，阻抗（Z）曲线的值与电阻（R）的相等。也就是说这个磁珠在1GHz时，是个纯电阻，而且阻抗值最大。

Z:impedanceR:R（f）X1:L\C前面简单介绍了EMI磁珠的基本特性曲线。从磁珠的阻抗曲线来看，其实它的特性就是可以用来做高频信号滤波器。需要注意的是，通常大家看到的厂家提供的磁珠阻抗曲线，都是在无偏置电流情况下测试得到的曲线。但大部分磁珠通常被放在电源线线上用来滤除电源的EMI噪声。在有偏置电流的情况下，磁珠的特性会发生一些变化。

下面是某个0805尺寸500mA的磁珠在不同的偏置电流下的阻抗曲线。大家可以看到，随着电流的增加，磁珠的峰值阻抗会变小，同时阻抗峰值点的频率也会变高。

在进一步阐述磁珠的特性之前，让我们先来看一下磁珠的主要特性指标的定义：Z（阻抗，impedanceohm）：磁珠等下电路中所有元件的阻抗之和，它是频率的函数。通常大家都用磁珠在100MHz时的阻抗值作为磁珠阻抗值。DCR（ohm）：磁珠导体的的直流电阻。额定电流：当磁珠安装于印刷线路板并加入恒定电流，自身温升由室温上升40C时的电流值。那么EMI磁珠的磁珠有成千上万种，阻抗曲线也各不相同，我们应该如何根据我们的实际应用选择合适的磁珠呢？让我们首先来看一下阻抗值同为600ohm@100MHz，但尺寸大小不同的磁珠在不同偏置电流电流和工作频率下的特性。

上面是四个不同大小的磁珠分别工作在0A，100mA偏置电流及在100MHz，500MHz和1GHz工作频率下的阻抗值。

从上表的测试数据中可以看出，1206尺寸的磁珠在低频100MHz工作时，其阻抗值仅从0A下的600ohm减小到100mA偏置电流下的550ohm，而0402尺寸的磁珠阻抗值却从0A下的600ohm大幅减小为175ohm。

由此看来，在低频大偏置电流应用的情况下，应该选择大尺寸的磁珠，其阻抗特性会更好一些。让我们来看一下磁珠在高频工作时的情形。1206尺寸的磁珠其1GHz下的阻抗从100MHz下的600ohm大幅减小为105ohm，而0402尺寸的磁珠其1GHz下的阻抗则只由100MHz下的600ohm小幅减小为399ohm。

这也就是说，在低频大偏置电流的情况下，我们应该选择较大尺寸的磁珠，而在高频应用中，我们应该尽量选择小尺寸的磁珠。

三、应用于信号线上的磁珠

让我们再来看一下下面两个不同曲线特征的磁珠A和磁珠B应用于信号线时的情况。

磁珠A和磁珠B的阻抗峰值都在100MHz和200MHz之间，但磁珠A阻抗频率曲线比较平坦，磁珠B则比较陡峭。我们将两个磁珠分别放在如下的20MHz的信号线上，看看对信号输出会产生什么样的影响。

下面是用示波器分别量测磁珠输出端的波形图

从输出波形来看，磁珠B的输出波形失真要明显小于磁珠A。原因是磁珠B的阻抗频率波形比较陡峭，其阻抗在200MHz时较高，只对200MHz附近的信号的衰减较大，但对频谱很宽的方波波形影响较小。而磁珠A的阻抗频率特性比较平坦，其对信号的衰减频谱也比较宽，因此对方波的波形影响也较大。

下面是上述三种情况对应的EMI测试结果。结果是磁珠A和磁珠B都会对EMI噪声产生很大的衰减。磁珠A在整个EMI频谱范围内的衰减要稍好于磁珠B。

因此，在具体选用磁珠时，阻抗频率特性平坦型的磁珠A比较适合应用于电源线，而频率特性比较陡峭的磁珠B则较适合应用于信号线。磁珠B在应用于信号线时，可以在尽量保持信号完整性的情况下，尽可能只对EMI频率附近的噪声产生最大的衰减。

四、磁珠与电容回路

在一些器件的数据手册或者应用文档中，一般会建议对一些要求较高的电源管脚（比如VCCA，VCCPLL之类的）做隔离处理，并推荐使用磁珠进行隔离。

一般建议将电容放在更加靠近器件电源管脚的地方（相对于磁珠的位置），如下图所示。至于电容的容值，和该电源管脚的功率（电压&电流），电容距离管脚的位置，电容的封装大小等因素有关系。

对于电容的Layout也有一些讲究，安装电容时，要从焊盘拉出一下段引线通过过孔和电源平面连接，接地段也一样。则电容的电流回路是：电源平面→过孔→引出线→焊盘→电容→焊盘→引出线→过孔→低平面。如下图所示：

放置过孔的基本原则就是让这一环路面积最小，减小寄生电感。下图显示几种安装方法：

第一种方法从焊盘引出很长的线然后连接到过孔，这会引入很大的寄生电感，一定要避免这样做。

第二种方法在焊盘二端打过孔，比第一种方法路面积小的多，寄生电感也较小，可以接受。

第三种方法在焊盘侧面打孔，进一步减小了环路面积，寄生电感比第一个更小，是比较好的方法。

第四种方法焊盘二侧面打孔，和第三种方法相比，电容的每端都是通过并联的过孔接入电源和地平面，比第三种的寄生电感还小，只要空间允许，尽量使用。

最后一种方法在焊盘上直接打孔，寄生电感最小，但是焊接可能会出现问题。

五、“滥用”磁珠的危害

典型的8层以上单板，或者6层板采用3个电源地平面，电源地相对紧耦合的设计，这时候板上的滤波电容呈现“全局特性”，也就是说电容的位置不是很“重要”，电容在全局起作用。双面板四层板，以及6层板电源地距离比较远，相对松耦合的时候，板上的滤波电容倾向于“局部特性”，电容的位置比较重要，最好能靠近芯片管脚放置。

当电源供电网络不使用电源地平面来设计的时候，电容更倾向于“局部特性”。如PLL电源的电容，如DDR3设计中Vref电源的电容，都希望严格把相应的电容靠近芯片的管脚，甚至最好能做到设计时指定电源必须从滤波电容进入芯片管脚。

同样的，对于常规数字电源，如3.3V，2.5V等IO电源，如果我们对每一个芯片都使用磁珠隔离之后单独供电，那么电容就失去了“全局”作用。最直接的一个负面作用就是导致设计需要增加更多的滤波电容。或者某个芯片的电容数量与种类不够，导致电源轨道噪声变大。

就算是电容的数量不是问题，电源噪声可控，“滥用”磁珠还会造成其他设计问题。电源种类多是设计的现状，“滥用”磁珠会“雪上加霜”的让电源种类更多。加大电源地平面设计的难度。而增加的磁珠，其实并没有给电源噪声带来好处。

六、总结

常规的数字电源，在采用多层板设计，电源地平面紧耦合的情况下，不建议“滥用”磁珠，保持电容的“全局”特性起作用。

需要使用磁珠的场合大致分为两种

1、“特别”保护自己，如PLL电源，FPGA中的SerDes模拟电源等

2、“关爱”他人，自身的干扰性比较强，避免EMI问题，如强驱动的时钟芯片等
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