芯耀
1549
磁珠，一般可以分為高Q磁珠(用于信號(hào)線上)和低Q磁珠(用于電源線上)[1]。
今天的文章，主要關(guān)注點(diǎn)在低Q磁珠，即磁珠在電源線上的應(yīng)用。磁珠在電源線上時(shí)，主要通過將噪聲能量通過熱量給耗散掉，這是非常理想的一種濾波方式。就像射頻上的濾波器或者開關(guān)時(shí)，吸收式的對(duì)整個(gè)鏈路的特性肯定要優(yōu)于反射式的。
磁珠的特性
(1) 頻率阻抗曲線[2]
由頻率阻抗曲線可知，磁珠會(huì)有三種響應(yīng)區(qū)域:
X>R?磁珠呈現(xiàn)感性
X=R磁珠開始呈現(xiàn)阻性
R=-X 磁珠開始呈現(xiàn)容性
使用過程中，需要使得需要濾波的頻率處在磁珠的阻性區(qū)域，而且應(yīng)該是感性相對(duì)比較小的區(qū)域。
上圖是一個(gè)磁珠的Impedance VSfrequency(MHz)的圖?，F(xiàn)在，想濾除一個(gè)100MHz的噪聲，這個(gè)磁珠合適么？其實(shí)是不合適的，雖然這款磁珠在80MHz左右，R=X，開始呈現(xiàn)阻性，但是在100MHz左右的時(shí)候，其實(shí)還是有比較大的感性，用在電源線上濾波的時(shí)候，可能會(huì)產(chǎn)生振蕩。這款磁珠，其實(shí)是最優(yōu)的噪聲抑制性能，在300MHz左右。
(2)直流偏置電流(DC biascurrent consideration)對(duì)磁珠性能的影響
上圖是村田給的直流偏置電流對(duì)阻抗的影響圖[3]，可以看到，隨著電流的增加，阻抗開始減小。器件手冊(cè)上給出的rated current是指給定溫升下，磁珠所能通過的最大電流，而非指在該電流下，磁珠仍然能保持在零直流偏置下的阻抗。
為了能夠有效地進(jìn)行電源濾波，對(duì)磁珠進(jìn)行20%的rated current降額設(shè)計(jì)，是比較靠譜的選擇。
(3) LC諧振效應(yīng)
在電源線上，一般都是Rs很小，RL比較大的情況。取一個(gè)極端情況，RS=0，RL=無窮大。進(jìn)行簡(jiǎn)單推算，如下圖。
所以這種振蕩發(fā)生的可能性還是比較大的。
對(duì)LC串聯(lián)電路，進(jìn)行仿真，增益響應(yīng)曲線如下圖所示，可以看到在3MHz的時(shí)候，有凸起，且大約為11dB左右。
對(duì)上述電路進(jìn)行時(shí)域仿真，分別輸入10KHz和3.3MHz的正弦信號(hào)，仿真結(jié)果如下圖所示。
可以看到，在10KHz正弦輸入時(shí)，輸入和輸出信號(hào)基本一致，但是當(dāng)輸入頻率增加到3.3MHz正弦輸入(對(duì)應(yīng)凸起的頻點(diǎn))時(shí)，輸出信號(hào)幅度約為輸入信號(hào)幅度的4倍。
所以，如果電路設(shè)計(jì)不合適的話，濾波電路反而變成放大電路了。
那碰到這種LC振蕩，該怎么解決呢？
可以通過加大后級(jí)的電容[1]。
將電路修改如下[4]：
(4)直流電阻
選擇磁珠時(shí)，要關(guān)注其直流電阻的大小。如果被供電的器件(特別是數(shù)字器件)，偶爾會(huì)有大電流。比如說選了一個(gè)直流電阻為0.7ohm的磁珠，被供電器件的要求電壓為1.1V，偶爾芯片會(huì)消耗400mA電流，則此時(shí)經(jīng)過磁珠后能給芯片的電壓降到了0.82V，這可能會(huì)使芯片工作不正常。而且，由于大電流為瞬態(tài)發(fā)生，你就很難觀察到這個(gè)現(xiàn)象。
其他
除了以上需注意的磁珠特性外，磁珠使用時(shí)，還有一點(diǎn)需要注意。
有一些數(shù)字器件，在工作時(shí)，電流是變化的。
有些磁珠和鐵氧體磁芯的電感，在構(gòu)造上基本是相同的，除了磁珠采用的是損耗更大的鐵氧體磁芯。
因此，磁珠和電感一樣，是抑制電流的快速變化的。
所以需要在磁珠的下游端(即被供電的芯片端)加一電容到地，要不，芯片可能會(huì)不正常工作【5】。
比如，輸入信號(hào)均為3V的直流電壓，負(fù)載為一周期變化的電流源，對(duì)磁珠后面接一電容到地以及磁珠后面無電容接地的兩種情況進(jìn)行仿真。
由仿真結(jié)果可知，在電流變化過程中，左圖的電壓基本保持不變，但是右圖的電壓則變得非常不合理了。
所以，使用磁珠時(shí)，在使用條件已知的情況下，可以借助仿真軟件仿真一下，以減少犯錯(cuò)的可能性。
參考文獻(xiàn)：
文獻(xiàn)[1]: N-583 Application Note, DesigningPower Isolation Filters with Ferrite Beads for Altera FPGAs. Altera Corporation
文獻(xiàn)[2]: https://www.doc88.com/p-3498479621107.html
文獻(xiàn)[3]:https://www.murata.com/en-us/products/emiconfun/emc/2013/11/14/en-20131114-p1
文獻(xiàn)4：Jefferson Eco and Aldrick Limjoco, Ferrite Beads Demystifed, Analog Devices, Inc
文獻(xiàn)5：https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/choosing-and-using-ferrite-beads/
