電源完整性分析——謹慎使用磁珠
發布時間:2020-06-18 責任編輯:lina
【導讀】磁珠的全稱為鐵氧體磁珠濾波器(另有一種是非晶合金磁性材料製作的磁珠),是shi一yi種zhong抗kang幹gan擾rao元yuan件jian,濾lv除chu高gao頻pin噪zao聲sheng效xiao果guo顯xian著zhu。磁ci珠zhu的de主zhu要yao原yuan料liao為wei鐵tie氧yang體ti。鐵tie氧yang體ti是shi一yi種zhong立li方fang晶jing格ge結jie構gou的de亞ya鐵tie磁ci性xing材cai料liao。鐵tie氧yang體ti材cai料liao為wei鐵tie鎂mei合he金jin或huo鐵tie鎳nie合he金jin,它ta的de製zhi造zao工gong藝yi和he機ji械xie性xing能neng與yu陶tao瓷ci相xiang似si,顏yan色se為wei灰hui黑hei色se。
磁珠的全稱為鐵氧體磁珠濾波器(另有一種是非晶合金磁性材料製作的磁珠),是shi一yi種zhong抗kang幹gan擾rao元yuan件jian,濾lv除chu高gao頻pin噪zao聲sheng效xiao果guo顯xian著zhu。磁ci珠zhu的de主zhu要yao原yuan料liao為wei鐵tie氧yang體ti。鐵tie氧yang體ti是shi一yi種zhong立li方fang晶jing格ge結jie構gou的de亞ya鐵tie磁ci性xing材cai料liao。鐵tie氧yang體ti材cai料liao為wei鐵tie鎂mei合he金jin或huo鐵tie鎳nie合he金jin,它ta的de製zhi造zao工gong藝yi和he機ji械xie性xing能neng與yu陶tao瓷ci相xiang似si,顏yan色se為wei灰hui黑hei色se。
磁珠基礎知識
磁珠(Ferrite bead)有很高的電阻率和磁導率,其等效電路是一個 DCR 電阻串聯一個電感並聯一個電容和一個電阻。 DCR 是(shi)一(yi)個(ge)恒(heng)定(ding)值(zhi),但(dan)後(hou)麵(mian)三(san)個(ge)元(yuan)件(jian)都(dou)是(shi)頻(pin)率(lv)的(de)函(han)數(shu),也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)它(ta)們(men)的(de)感(gan)抗(kang),容(rong)抗(kang)和(he)阻(zu)抗(kang)會(hui)隨(sui)著(zhe)頻(pin)率(lv)的(de)變(bian)化(hua)而(er)變(bian)化(hua),當(dang)然(ran)它(ta)們(men)阻(zu)值(zhi),感(gan)值(zhi)和(he)容(rong)值(zhi)都(dou)非(fei)常(chang)小(xiao)。磁(ci)珠(zhu)比(bi)普(pu)通(tong)的(de)電(dian)感(gan)有(you)更(geng)好(hao)的(de)高(gao)頻(pin)濾(lv)波(bo)特(te)性(xing),在(zai)高(gao)頻(pin)時(shi)呈(cheng)現(xian)阻(zu)性(xing),所(suo)以(yi)能(neng)在(zai)相(xiang)當(dang)寬(kuan)的(de)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)內(nei)保(bao)持(chi)較(jiao)高(gao)的(de)阻(zu)抗(kang),從(cong)而(er)提(ti)高(gao)調(tiao)頻(pin)濾(lv)波(bo)效(xiao)果(guo)。
磁珠的電路符號就是電感,但是型號上可以看出使用的是磁珠。在電路功能上,磁珠和電感是原理相同的,隻是頻率特性不同而已。

從等效電路中可以看到,當頻率低於 fL(LC 諧振頻率)時,磁珠呈現電感特性;當頻率等於 fL 時,磁珠是一個純電阻,此時磁珠的阻抗(impedance)最大;當頻率高於諧振頻率點 fL 時,磁珠則呈現電容特性。
EMI 選用磁珠的原則就是磁珠的阻抗在 EMI 噪聲頻率處最大。比如如果 EMI 噪聲的最大值在 200MHz,那你選擇的時候就要看磁珠的特性曲線,其阻抗的最大值應該在 200MHz 左右。
下圖是一個磁珠的實際的特性曲線圖。 大家可以看到這個磁珠的峰值點出現在 1GHz 左右, 在峰點時,阻抗(Z)曲線的值與電阻(R)的相等。也就是說這個磁珠在 1GHz 時,是個純電阻,而且阻抗值最大。

Z: impedance R: R( f) X1: L\C
前麵簡單介紹了 EMI 磁珠的基本特性曲線。
congcizhudezukangquxianlaikan,qishitadetexingjiushikeyiyonglaizuogaopinxinhaolvboqi。xuyaozhuyideshi,tongchangdajiakandaodechangjiatigongdecizhuzukangquxian,doushizaiwupianzhidianliuqingkuangxiaceshidedaodequxian。
但大部分磁珠通常被放在電源線線上用來濾除電源的 EMI 噪聲。在有偏置電流的情況下,磁珠的特性會發生一些變化。下麵是某個 0805 尺寸 500mA 的磁珠在不同的偏置電流下的阻抗曲線。大家可以看到,隨著電流的增加,磁珠的峰值阻抗會變小,同時阻抗峰值點的頻率也會變高。

在進一步闡述磁珠的特性之前,讓我們先來看一下磁珠的主要特性指標的定義:
Z (阻抗, impedance ohm) :磁珠等下電路中所有元件的阻抗之和,它是頻率的函數。通常大家都用磁珠在 100MHz 時的阻抗值作為磁珠阻抗值。
DCR (ohm): 磁珠導體的的直流電阻。
額定電流:當磁珠安裝於印刷線路板並加入恒定電流,自身溫升由室溫上升 40C 時的電流值。
那麼 EMI 磁珠的磁珠有成千上萬種,阻抗曲線也各不相同,我們應該如何根據我們的實際應用選擇合適的磁珠呢?
讓我們首先來看一下阻抗值同為600ohm@100MHz,但尺寸大小不同的磁珠在不同偏置電流電流和工作頻率下的特性。

上麵是四個不同大小的磁珠分別工作在 0A,100mA 偏置電流及在 100MHz,500MHz 和 1GHz 工作頻率下的阻抗值。
從上表的測試數據中可以看出, 1206 尺寸的磁珠在低頻 100MHz 工作時,其阻抗值僅從 0A 下的600ohm 減小到 100mA 偏置電流下的 550ohm,而 0402 尺寸的磁珠阻抗值卻從 0A 下的 600ohm 大幅減小為 175ohm。
由you此ci看kan來lai,在zai低di頻pin大da偏pian置zhi電dian流liu應ying用yong的de情qing況kuang下xia,應ying該gai選xuan擇ze大da尺chi寸cun的de磁ci珠zhu,其qi阻zu抗kang特te性xing會hui更geng好hao一yi些xie。讓rang我wo們men來lai看kan一yi下xia磁ci珠zhu在zai高gao頻pin工gong作zuo時shi的de情qing形xing。 1206 尺寸的磁珠其 1GHz 下的阻抗從 100MHz 下的600ohm 大幅減小為 105ohm,而 0402 尺寸的磁珠其 1GHz 下的阻抗則隻由 100MHz 下的 600ohm 小幅減小為 399ohm。
這也就是說,在低頻大偏置電流的情況下,我們應該選擇較大尺寸的磁珠,而在高頻應用中,我們應該盡量選擇小尺寸的磁珠。
應用於信號線上的磁珠
讓我們再來看一下下麵兩個不同曲線特征的磁珠 A 和磁珠 B 應用於信號線時的情況。

磁珠 A 和磁珠 B 的阻抗峰值都在 100MHz 和 200MHz 之間,但磁珠 A 阻抗頻率曲線比較平坦,磁珠B 則比較陡峭。
我們將兩個磁珠分別放在如下的 20MHz 的信號線上,看看對信號輸出會產生什麼樣的影響。

下麵是用示波器分別量測磁珠輸出端的波形圖

從輸出波形來看,磁珠 B 的輸出波形失真要明顯小於磁珠 A。
原因是磁珠 B 的阻抗頻率波形比較陡峭,其阻抗在 200MHz 時較高,隻對 200MHz 附近的信號的衰減較大,但對頻譜很寬的方波波形影響較小。而磁珠 A 的阻抗頻率特性比較平坦,其對信號的衰減頻譜也比較寬,因此對方波的波形影響也較大。
下麵是上述三種情況對應的 EMI 測試結果。結果是磁珠 A 和磁珠 B 都會對 EMI 噪聲產生很大的衰減。磁珠 A 在整個 EMI 頻譜範圍內的衰減要稍好於磁珠 B。

因此,在具體選用磁珠時,阻抗頻率特性平坦型的磁珠 A 比較適合應用於電源線,而頻率特性比較陡峭的磁珠 B 則較適合應用於信號線。磁珠 B 在應用於信號線時,可以在盡量保持信號完整性的情況下,盡可能隻對 EMI 頻率附近的噪聲產生最大的衰減。
磁珠與電容回路
在一些器件的數據手冊或者應用文檔中,一般會建議對一些要求較高的電源管腳(比如VCCA,VCCPLL之類的)做隔離處理,並推薦使用磁珠進行隔離。一般建議將電容放在更加靠近器件電源管腳的地方(相對於磁珠的位置),如下圖所示。至於電容的容值,和該電源管腳的功率(電壓&電流),電容距離管腳的位置,電容的封裝大小等因素有關係。

對於電容的Layout也有一些講究,安裝電容時,要從焊盤拉出一下段引線通過過孔和電源平麵連接,接地段也一樣。則電容的電流回路是:電源平麵→過孔→引出線→焊盤→電容→焊盤→引出線→過孔→低平麵。如下圖所示:

放置過孔的基本原則就是讓這一環路麵積最小,減小寄生電感。下圖顯示幾種安裝方法:

※第一種方法從焊盤引出很長的線然後連接到過孔,這會引入很大的寄生電感,一定要避免這樣做。
※第二種方法在焊盤二端打過孔,比第一種方法路麵積小的多,寄生電感也較小,可以接受。
※第三種方法在焊盤側麵打孔,進一步減小了環路麵積,寄生電感比第一個更小,是比較好的方法。
※第(di)四(si)種(zhong)方(fang)法(fa)焊(han)盤(pan)二(er)側(ce)麵(mian)打(da)孔(kong),和(he)第(di)三(san)種(zhong)方(fang)法(fa)相(xiang)比(bi),電(dian)容(rong)的(de)每(mei)端(duan)都(dou)是(shi)通(tong)過(guo)並(bing)聯(lian)的(de)過(guo)孔(kong)接(jie)入(ru)電(dian)源(yuan)和(he)地(di)平(ping)麵(mian),比(bi)第(di)三(san)種(zhong)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)還(hai)小(xiao),隻(zhi)要(yao)空(kong)間(jian)允(yun)許(xu),盡(jin)量(liang)使(shi)用(yong)。
※最後一種方法在焊盤上直接打孔,寄生電感最小,但是焊接可能會出現問題。
“濫用”磁珠的危害
典型的8層以上單板,或者6層板采用3個電源地平麵,電源地相對緊耦合的設計,這時候板上的濾波電容呈現“全局特性”,也就是說電容的位置不是很“重要”,電容在全局起作用。雙麵板四層板,以及6層板電源地距離比較遠,相對鬆耦合的時候,板上的濾波電容傾向於“局部特性”,電容的位置比較重要,最好能靠近芯片管腳放置。
當電源供電網絡不使用電源地平麵來設計的時候,電容更傾向於“局部特性”。如PLL電源的電容,如DDR3設計中Vref電源的電容,都希望嚴格把相應的電容靠近芯片的管腳,甚至最好能做到設計時指定電源必須從濾波電容進入芯片管腳。
同樣的,對於常規數字電源,如3.3V,2.5V等IO電源,如果我們對每一個芯片都使用磁珠隔離之後單獨供電,那麼電容就失去了“全局”作用。最直接的一個負麵作用就是導致設計需要增加更多的濾波電容。或者某個芯片的電容數量與種類不夠,導致電源軌道噪聲變大。
就算是電容的數量不是問題,電源噪聲可控,“濫用”磁珠還會造成其他設計問題。電源種類多是設計的現狀, “濫用”磁珠會“雪上加霜”的讓電源種類更多。加大電源地平麵設計的難度。而增加的磁珠,其實並沒有給電源噪聲帶來好處。
總結
常規的數字電源,在采用多層板設計,電源地平麵緊耦合的情況下,不建議“濫用”磁珠,保持電容的“全局”特性起作用。
需要使用磁珠的場合大致分為兩種
1、“特別”保護自己,如PLL電源,FPGA中的SerDes模擬電源等
2、“關愛”他人,自身的幹擾性比較強,避免EMI問題,如強驅動的時鍾芯片等
主要參考文獻
1、網友aiyuanwuyin的博客,https://blog.csdn.net/taiyuanwuyin/article/details/78803110
2、電源完整性設計:
3、磁珠選型與應用知識:
4、EMC磁珠到底是什麼 H?具體如何選型?:
(轉載自:貿澤工程師社區 來源:電子技術應用ChinaAET,作者: Felix)
免責聲明:本文為轉載文章,轉載此文目的在於傳遞更多信息,版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題,請聯係小編進行處理。
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