铁氧体磁珠揭秘

1 概述

        高分辨率、高性能转换器和射频(RF)系统要求电源采用低噪声设计，以便实现最佳性能。这类设计需要在模拟域和数字域之间具有良好的电源噪声过滤以及高频串扰抑制性能，尤其是在混合信号转换器和接收机中。
        在开关稳压器中，电源噪声尤为明显，这会产生干扰，并可能损害一切噪声敏感型系统。但是，由于开关稳压器具有高功率转换效率，因而通常用于需要延长电池寿命的便携式设备中，以及用于存在温度限制的系统中。
        同类的混合信号IC数字和模拟电压供电轨通常采用不同的功率域供电。这样有助于防止快速数字开关噪声耦合至敏感的模拟电源供电轨并降低转换器性能，但会增加系统级复杂性和成本。针对电源域采取适当的高频隔离后，便可在模拟域和数字域之间共享电源，从而简化设计并降低成本。
        过滤高频电源噪声并无干扰地共享同类电源供电轨的一种有效方法是使用铁氧体磁珠。铁氧体磁珠是无源器件，可在宽频率范围内过滤高频噪声。它在目标频率范围内具有电阻特性，并以热量的形式耗散噪声能量。铁氧体磁珠与供电轨串联，而磁珠的两侧常与电容一起接地。这样便形
成了一个低通滤波器网络，进一步降低高频电源噪声。

图1显示了一个滤波方案示例，它常常用于混合信号IC中，隔离模拟和数字电源。该方案适用于一切分布式电源网络。

电源系统中使用铁氧体磁珠时需要注意的重要考虑因素，包括响应特性、铁氧体磁珠简化模型和仿真、直流考虑因素、LC谐振效应以及阻尼方法。

2 铁氧体磁珠简化模型与频率特性

2.1 铁氧体磁珠简化模型

铁氧体磁珠能够建模为一个由电阻、电感和电容组成的简化电路，如图3所示。RDC 对应磁珠的直流电阻。CPAR 、LBEAD和RAC 分别表示寄生电容、磁珠电感和与磁珠有关的交流电阻(交流磁芯损耗)。

2.2 铁氧体磁珠响应特性

铁氧体磁珠可依据三个响应区域分类：感性、阻性和容性。查看ZRX曲线便可确定这些区域，其中Z表示阻抗、R表示电阻、X表示磁珠的电抗。为了降低高频噪声，磁珠必须处于阻性区域内；电磁干扰(EMI)滤波应用尤其需注意这一点。该元件表现为电阻特性，可阻止高频噪声并以热量的形式耗散。阻性区域出现在磁珠交越频率(X = R)之后，直至磁珠变为容性的那一点为止(见图2)。此容性点位置为容性电抗绝对值等于R的频率处。

3 直流偏置电流考虑因素

为电源应用选择正确的铁氧体磁珠不仅需要考虑滤波器带宽，还需考虑磁珠随直流偏执电流变化而变化的的阻抗特性。大部分情况下，制造商仅提供磁珠在100 MHz的阻抗并在数据手册中提供零直流偏置电流时的频率响应曲线(与图2中的相似)。然而，将铁氧体磁珠用作电源滤波时，通
过磁珠的负载电流始终不为零，并且随着直流偏置电流从零开始增长，这些参数也会随之迅速改变。

原因是随着直流偏置电流的增加，磁芯材料开始饱和，导致铁氧体磁珠电感大幅下降。

下图显示显示了两个铁氧体磁珠的典型直流偏置电感值。额定电流为50%时，电感最多下降到90%。

如需高效过滤电源噪声，应在额定直流电流约20%处使用铁氧体磁珠。如这两个示例所示，在额定电流20%处，电感下降至约30%(6 A磁珠)以及约15%(3 A磁珠)。铁氧体磁珠的电流额定值是器件在指定升温情况下可承受的最大电流值，并非供滤波使用的真实工作点。

4 LC谐振效应

当铁氧体磁珠与去耦电容一同部署时，可能产生谐振尖峰。这个经常被忽视的效应可能会损害性能，因为它可能会放大给定系统的纹波和噪声，而非衰减它们。很多情况下，此尖峰发生在DC-DC转换器的常用开关频率左右。当低通滤波器网络(由铁氧体磁珠电感和高Q去耦电容组成)的谐振频率低于磁珠的交越频率时，发生尖峰。滤波结果为欠阻尼。

下图显示了此效应的一个示例。图中，磁珠和电容低通滤波器的S21频率响应，显示了峰值效应。