調節濾波係統阻尼的方法

 

本節介紹幾種調節阻尼的方法，可用於降低諧振尖峰電平。JeffersonEco 在其文章中提出了三種方法 ：

 

圖22 不同阻尼方法的頻率響應

 

方法A 是在去耦電容路徑上添加一個串聯電阻
，可抑製係統諧振
，但會降低高頻旁路有效性。方法B 是在鐵氧體磁珠兩端添加一個小數值並聯電阻，這樣也會抑製係統諧振。但是，在高頻時濾波器的衰減特性會下降。下圖顯示了MPZ1608S101A 使用和不使用 10 Ω 並聯電阻的情況下阻抗與頻率的關係曲線。淺綠色虛線表示磁珠采用 10 Ω 並聯電阻的總阻抗。磁珠阻抗和電阻組合大幅下降，並主要由 10 Ω 電阻決定。但是
，采用 10 Ω 並聯電阻時的 3.8 MHz 交越頻率遠低於磁珠自身在 40.3 MHz 時的交越頻率。在低得多的頻率範圍內磁珠表現出阻性，可降低 Q 值，改善阻尼性能。

 

圖23 (a) MPZ1608S101A ZRX 曲線 (b) MPZ1608S101A ZRX 曲線

 

當筆者將文獻中描述的方法應用在 3.2 節的開關電源中，發現前兩種方法並未能夠降低0.6MHz 的噪聲幅值，第三種方法可以有效降低所有高頻諧波噪聲。

 

 

圖24 三種方式應用在 3.2 節開關電源中的效果

 

相較於 Jefferson Eco ，Ken Kundert 在其文章中不僅詳細介紹了如何處理欠阻尼，並且給出了每種情況的計算方式。

 

圖25 阻尼解耦網絡的幾種方法以及臨界阻尼所需電阻的值

 

從(cong)上(shang)圖(tu)中(zhong)作(zuo)者(zhe)給(gei)出(chu)的(de)四(si)種(zhong)方(fang)法(fa)中(zhong)，不(bu)難(nan)看(kan)出(chu)均(jun)存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)缺(que)陷(xian)，一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)上(shang)犧(xi)牲(sheng)了(le)濾(lv)波(bo)插(cha)損(sun)或(huo)者(zhe)信(xin)號(hao)電(dian)源(yuan)能(neng)量(liang)。為(wei)此(ci)，作(zuo)者(zhe)補(bu)充(chong)了(le)一(yi)種(zhong)即(ji)滿(man)足(zu) RCL 並聯，也滿足串聯的阻尼調節方法。如下圖所示，可以看出此方法與Jefferson Eco 描述的方法一模一樣，不同的是 Ken Kundert 進一步給出了Rdamp,Cdamp,Cbyp三者間的關係，即

 

 

圖26 為解耦網絡提供阻尼的首選方法

 

由(you)於(yu)實(shi)際(ji)電(dian)路(lu)中(zhong)存(cun)在(zai)著(zhe)諸(zhu)多(duo)我(wo)們(men)並(bing)不(bu)能(neng)夠(gou)精(jing)確(que)測(ce)量(liang)的(de)分(fen)布(bu)參(can)數(shu)，所(suo)以(yi)上(shang)麵(mian)的(de)方(fang)法(fa)並(bing)不(bu)總(zong)是(shi)有(you)效(xiao)
，對(dui)於(yu)多(duo)數(shu)工(gong)程(cheng)師(shi)來(lai)講(jiang)，並(bing)不(bu)太(tai)願(yuan)意(yi)去(qu)嚐(chang)試(shi)。這(zhe)裏(li)筆(bi)者(zhe)提(ti)出(chu)一(yi)個(ge)簡(jian)單(dan)粗(cu)暴(bao)的(de)方(fang)法(fa)
，即(ji)對(dui)於(yu)低(di)頻(pin)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)方(fang)麵(mian)遇(yu)到(dao)的(de)類(lei)似(si)問(wen)題(ti)，可(ke)通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)電(dian)感(gan)的(de)方(fang)式(shi)濾(lv)除(chu)。感(gan)值(zhi)應(ying)不(bu)小(xiao)於(yu) 50uH，當然這個目標參數的設置並非一成不變。下圖為在磁珠基礎上增加一個電感，電感感值從 10uH 增加到 50uH 的結果，可以看到

，當增加到 50uH 以後，所有諧波分量的噪聲幅值均比初始無濾波電路時要低。

 

 

圖27 在電路上增加電感來調節阻尼

 

因為占空比 50%為一個特殊情況
，當把負載由初始的 10Ω 降低到 2Ω 時（模擬電路滿載情況），此時占空比大約為 64%。此時的偶次諧波充分體現出來
，增加電感在滿載情況下依舊適用。而上麵文獻中提及的方法依舊會遇到低頻超出初始值的情況。

 

圖28 電源負載增加後調節感值的效果依舊

 

圖29 采用文獻提及的三種方法在重載情況下測到的傳導噪聲

 

磁珠在直流偏置下的影響

 

weidianyuanyingyongxuanzezhengquedetieyangticizhubujinxuyaokaolvlvboqidaikuan，haixukaolvcizhuxiangduiyuzhiliupianzhidianliudezukangtexing。dabufenqingkuangxia，zhizaoshangjinzhidingcizhuzai 100 MHz 的de阻zu抗kang並bing公gong布bu零ling直zhi流liu偏pian置zhi電dian流liu時shi的de頻pin率lv響xiang應ying曲qu線xian數shu據ju手shou冊ce。然ran而er


，將jiang鐵tie氧yang體ti磁ci珠zhu用yong作zuo電dian源yuan濾lv波bo時shi，通tong過guo磁ci珠zhu的de負fu載zai電dian流liu始shi終zhong不bu為wei零ling，並bing且qie隨sui著zhe直zhi流liu偏pian置zhi電dian流liu從cong零ling開kai始shi增zeng長chang
，這zhe些xie參can數shu也ye會hui隨sui之zhi迅xun速su改gai變bian。隨sui著zhe直zhi流liu偏pian置zhi電dian流liu的de增zeng加jia
，磁ci芯xin材cai料liao開kai始shi飽bao和he

，導dao致zhi鐵tie氧yang體ti磁ci珠zhu電dian感gan大da幅fu下xia降jiang。電dian感gan飽bao和he度du根gen據ju組zu件jian磁ci芯xin所suo用yong的de材cai料liao而er有you所suo不bu同tong。下xia圖tu顯xian示shi了le兩liang個ge鐵tie氧yang體ti磁ci珠zhu的de典dian型xing直zhi流liu偏pian置zhi依yi賴lai情qing況kuang。額e定ding電dian流liu為wei 50%時，電感最多下降 90%。

 

圖30 （a）直流偏置對磁珠電感的影響以及相對於直流偏置電流的曲線（b）采用TDKMPZ1608S101A 磁珠（c）采用 Wurth Elektronik742 792 510 磁珠

 

如需高效過濾電源噪聲，則就設計原則來說，應在額定直流電流約 20%處使用鐵氧體磁珠。如這兩個示例所示，在額定電流 20%處
，電感下降至約 30%（6 A 磁珠）以及約 15%（3 A 磁珠）。鐵氧體磁珠的電流額定值是器件在指定升溫情況下可承受的最大電流值
，並非供濾波使用的真實工作點。

 

此外， 直流偏置電流的效果可通過頻率範圍內阻抗值的減少而觀察到
，進而降低鐵氧體磁珠的有效性和消除 EMI 的能力。圖 30b 和圖30c 顯示了鐵氧體磁珠阻抗如何隨直流偏置電流的變化而改變。隻需施加額定電流的 50%，100 MHz時的有效阻抗就會從100Ω大幅下降至10Ω（TDKMPZ1608S101A，100Ω

，A，0603），以及從70Ω下降至15Ω（WürthElektronik742 792 510，70 Ω，6 A，1812）。

 

參考文獻

 

【1】 Jefferson Eco & Aldrick Limjoco-鐵氧體磁珠揭秘.

 

【2】 Arthur B. Williams-模擬濾波器與電路設計手冊.

 

【3】Ken Kundert-Power Supply Noise Reduction.

 

【4】Murata-Application Manual for Power Supply Noise Suppression and Decoupling for Digital Ics.

 

 

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