在电源系统中使用铁氧体磁珠时需要注意的重要考虑因素

作者：Aldrick Limjoco and Jefferson Eco

使用铁氧体磁珠是滤除高频电源噪声并干净地共享相似的电压供电轨（即混合信号IC的模拟和数字电源轨），同时保持共享电源轨之间的高频隔离的有效方法。铁氧体磁珠是一种无源器件，可在很宽的频率范围内滤除高频噪声能量。它在预定频率范围内变得具有电阻性，并以热量的形式耗散噪声能量。铁氧体磁珠与电源轨串联，通常与电容器组合在磁珠两侧接地。这样就形成了一个低通滤波器网络，进一步降低了高频电源的噪声。

但是，在系统设计中不当使用铁氧体磁珠会导致一些有害问题。一些例子是由于将磁珠与去耦电容组合用于低通滤波而导致的不需要谐振，以及直流偏置电流依赖性的影响，从而降低了磁珠的EMI抑制能力。通过正确理解和考虑铁氧体磁珠的行为，可以避免这些问题。

本文讨论系统设计人员在电源系统中使用铁氧体磁珠时需要注意的重要考虑因素，例如具有不同直流偏置电流和不需要的LC谐振效应的阻抗与频率特性。最终，为了解决不需要的共振问题，将介绍阻尼技术，并比较每种阻尼方法的有效性。

用于演示铁氧体磁珠作为输出滤波器的影响的器件是一个具有独立正负输出的2 A/1.2 A DC-DC开关稳压器（ADP5071）。本文中使用的铁氧体磁珠主要是片式表面贴装封装。

铁氧体磁珠简化模型和仿真

铁氧体磁珠可以建模为由电阻、电感和电容组成的简化电路，如图1a所示。 R直流对应于磁珠的直流电阻。C㩱， L珠和 R交流分别是与磁珠相关的寄生电容、磁珠电感和交流电阻（交流磁芯损耗）。

图1.（a） 简化电路模型和 （b） 泰科电子 BMB2A1000LN2 测量的 ZRX 图。

铁氧体磁珠按三个响应区域分类：电感、电阻和电容。这些区域可以通过查看ZRX图（如图1b所示）来确定，其中Z是阻抗，R是电阻，X是磁珠的电抗。为了降低高频噪声，磁珠必须位于电阻区域;这对于电磁干扰（EMI）滤波应用尤其理想。该元件的作用类似于电阻器，可阻挡高频噪声并将其作为热量散发。阻性区域出现在磁珠交越频率（X = R）之后，直到磁珠变为容性。该容性点出现在容抗绝对值（–X）等于R的频率处。

在某些情况下，简化电路模型可用于近似铁氧体磁珠阻抗特性，最高可达sub-GHz范围。

以泰科电子BMB2A1000LN2多层铁氧体磁珠为例。图1b显示了使用阻抗分析仪测量的BMB2A1000LN2在零直流偏置电流下的ZRX响应。

对于测量的 ZRX 图上磁珠看起来最感性的区域 （Z ≈ XL;LBEAD），磁珠电感由下式计算：

哪里：

f 是磁珠出现感应区域的任何位置的频率点。在本例中，f = 30.7 MHz。XL是 30.7 MHz 时的电抗，即 233 Ω。

公式1得到电感值（L珠） 的 1.208 μH。

对于磁珠最具电容性的区域（Z ≈ |XC|;C㩱），寄生电容由下式计算：

哪里：

f是磁珠出现电容的区域内任何位置的频率点。在本例中，f = 803 MHz |XC|是 803 MHz 时的电抗，即 118.1 Ω。

公式2得到寄生电容值（C㩱） 的 1.678 pF。

直流电阻（R直流），即300 mΩ，从制造商的数据手册中获取。交流电阻（R交流） 是磁珠看似纯阻性的峰值阻抗。计算 R交流通过减去 R直流从 Z.因为 R直流与峰值阻抗相比非常小，可以忽略不计。因此，在这种情况下 R交流为 1.082 kΩ。使用由SIMetrix/SIMPLIS驱动的ADIsimPE电路仿真器工具来生成阻抗与频率响应的关系。图2a显示了具有计算值的电路仿真模型，图2b显示了实际测量和仿真结果。在本例中，电路仿真模型的阻抗曲线与测量的阻抗曲线非常匹配。

图2.（a） 电路仿真模型和（b） 实际测量与仿真。

铁氧体磁珠模型可用于噪声滤波电路的设计和分析。例如，当与低通滤波器网络中的去耦电容结合使用时，近似磁珠的电感有助于确定谐振截止频率。但是，本文中指定的电路模型是具有零直流偏置电流的近似值。该模型可能会随直流偏置电流而变化，在其他情况下，需要更复杂的模型。

直流偏置电流注意事项

为电源应用选择合适的铁氧体磁珠不仅需要仔细考虑滤波器带宽，还需要仔细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，制造商仅指定100 MHz磁珠的阻抗，并发布数据手册，其中包含零直流偏置电流下的频率响应曲线。但是，当使用铁氧体磁珠进行电源滤波时，通过铁氧体磁珠的负载电流永远不会为零，并且随着直流偏置电流从零增加，所有这些参数都会发生显著变化。

随着直流偏置电流的增加，磁芯材料开始饱和，这大大降低了铁氧体磁珠的电感。电感饱和度因元件磁芯所用材料而异。图3a显示了两个铁氧体磁珠电感的典型直流偏置依赖性。当额定电流为50%时，电感最多可降低90%。

图3.（a） 直流偏置电流对磁珠电感和阻抗曲线相对于直流偏置电流的影响：（b） TDK MPZ1608S101A 磁珠和 （c） 伍尔特电子 742 792 510 磁珠。

为了有效地滤除电源噪声，设计准则是使用铁氧体磁珠，其额定直流电流约为20%。如这两个示例所示，6 A磁珠在额定电流的20%处电感降至约30%，3 A磁珠降至约15%。铁氧体磁珠的额定电流表示器件在指定温升下可以承受的最大电流，它不是滤波目的的实际工作点。

此外，直流偏置电流的影响可以通过阻抗值随频率的变化而降低，这反过来又降低了铁氧体磁珠的有效性及其消除EMI的能力。图3b和图3c显示了铁氧体磁珠的阻抗如何随直流偏置电流而变化。TDK MPZ1608S101A（100 Ω，3 A，0603）仅施加50%的额定电流，100 MHz时的有效阻抗从100 Ω急剧下降到10 Ω，伍尔特电子742 792 510（70 Ω，6 A，1812）在100 MHz时的有效阻抗从70 Ω下降到15 Ω。

系统设计人员必须充分了解直流偏置电流对磁珠电感和有效阻抗的影响，因为这在需要高电源电流的应用中至关重要。

液相色谱共振效应

将铁氧体磁珠与去耦电容器一起实现时，可以产生谐振峰值。这种通常被忽视的影响可能是有害的，因为它可能会放大给定系统中的纹波和噪声，而不是衰减它。在许多情况下，这种峰值发生在DC-DC转换器的常用开关频率附近。

当由铁氧体磁珠电感和高Q去耦电容形成的低通滤波器网络的谐振频率低于磁珠的交越频率时，就会发生峰值。产生的滤波器阻尼不足。图4a显示了TDK MPZ1608S101A的测量阻抗与频率的关系图。电阻元件依赖于耗散不需要的能量，在达到大约20 MHz至30 MHz范围之前不会变得重要。低于该频率时，铁氧体磁珠仍具有非常高的Q值，其作用类似于理想的电感器。典型磁珠滤波器的LC谐振频率通常在0.1 MHz至10 MHz范围内。对于300 kHz至5 MHz范围内的典型开关频率，需要额外的阻尼来降低滤波器Q值。

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

作为这种效应的一个例子，图4b显示了磁珠和电容低通滤波器的S21频率响应，它显示了峰值效应。使用的铁氧体磁珠为TDK MPZ1608S101A （100 Ω， 3 A， 0603），去耦电容器为村田制作所GRM188R71H103KA01低ESR陶瓷电容器（10 nF、X7R、0603）。负载电流在微安范围内。

无阻尼铁氧体磁珠滤波器的峰值约为10 dB至约15 dB，具体取决于滤波器电路的Q值。在图4b中，峰值发生在2.5 MHz左右，增益高达10 dB。

此外，信号增益范围为1 MHz至3.5 MHz。如果这种峰值发生在开关稳压器工作的频带中，则会出现问题。这会放大不需要的开关伪影，从而严重破坏锁相环 （PLL）、压控振荡器 （VCO） 和高分辨率模数转换器 （ADC） 等敏感负载的性能。图4b所示的结果是在非常轻的负载（微安范围内）下得出的，但这在只需要几微安到1 mA负载电流的电路部分或在某些工作模式下关闭以节省功耗的部分中是一个实际应用。这种潜在的峰值会在系统中产生额外的噪声，从而产生不必要的串扰。

例如，图5显示了ADP5071应用电路，内置了磁珠滤波器，图6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9 V，输出电压设置为16 V，负载电流设置为5 mA。

图5.ADP5071应用电路在正输出端采用磁珠和电容低通滤波器实现。

图6.5 mA负载时的ADP5071频谱输出。

谐振峰值发生在2.5 MHz左右，这是由于磁珠和10 nF陶瓷电容的电感。在2.4 MHz时，基波纹波频率不会衰减，而是增益为10 dB。

影响谐振峰的其他因素是铁氧体磁珠滤波器的串联和负载阻抗。峰值显著降低和阻尼，以获得更高的源电阻。然而，这种方法会降低负载调整率，使其在实践中不切实际。由于串联电阻的压降，输出电压随负载电流而下降。负载阻抗也会影响峰值响应。在轻负载条件下，峰值更差。

阻尼方法

本节介绍系统工程师可用于显著降低谐振峰值水平的三种阻尼方法（见图7）。

图7.各种阻尼方法的实际频率响应。

方法A包括在去耦电容路径上增加一个串联电阻，以抑制系统的谐振，但降低高频下的旁路效率。方法B包括在铁氧体磁珠上增加一个小的并联电阻，该电阻也会抑制系统的谐振。但是，滤波器的衰减特性在高频下会降低。图8显示了MPZ1608S101A的阻抗与频率的关系曲线，带和不带10 Ω并联电阻。浅绿色虚线是并联10 Ω电阻的磁珠总阻抗。磁珠和电阻组合的阻抗显著降低，主要由10 Ω电阻主导。但是，采用10 Ω并联电阻的磁珠的3.8 MHz交越频率远低于磁珠本身的交越频率40.3 MHz。磁珠在低得多的频率范围内具有电阻性，从而降低了Q值，从而改善了阻尼性能。

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

方法C包括增加一个大电容器（C潮湿） 带串联阻尼电阻 （R潮湿），这通常是最佳解决方案。

增加电容和电阻会抑制系统的谐振，并且不会降低高频下的旁路效率。采用这种方法可避免由于隔直电容较大而导致电阻器功耗过大。电容必须远大于所有去耦电容的总和，这会降低所需的阻尼电阻值。电容阻抗必须足够小于谐振频率下的阻尼电阻，以降低峰值。

图9显示了在图5所示应用电路上实现方法C阻尼的ADP5071正输出频谱图。该 C潮湿和 R潮湿分别使用1 μF陶瓷电容和2 Ω SMD电阻。2.4 MHz时的基波纹波降低了5 dB，而图9所示的增益为10 dB。

图9.ADP5071的频谱输出以及带方法C阻尼的磁珠和电容低通滤波器。

通常，方法C是最优雅的，通过添加与陶瓷电容器串联的电阻来实现，而不是购买昂贵的专用阻尼电容器。最安全的设计始终包括一个电阻器，该电阻器可以在原型设计过程中进行调整，如果没有必要，可以消除该电阻器。唯一的缺点是额外的元件成本和更大的所需电路板空间。

结论

本文介绍了使用铁氧体磁珠时必须考虑的关键因素。它还详细介绍了代表磁珠的简单电路模型。仿真结果表明，在零直流偏置电流下，实际测得的阻抗与频率响应具有良好的相关性。

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，直流偏置电流大于额定电流的20%会导致磁珠电感显著下降。这种电流还会降低磁珠的有效阻抗并降低其EMI滤波能力。在具有直流偏置电流的电源轨中使用铁氧体磁珠时，请确保电流不会导致铁氧体材料饱和并产生明显的电感变化。

由于铁氧体磁珠是电感性的，因此请勿与高Q值去耦电容器一起使用，除非仔细注意。这样做会在电路中产生不必要的谐振，弊大于利。然而，本文提出的阻尼方法提供了一种简单的解决方案，即在负载上使用一个大型去耦电容和一个阻尼电阻串联，从而避免不必要的谐振。正确应用铁氧体磁珠是降低高频噪声和开关瞬变的有效且廉价的方法。

审核编辑：郭婷