铁氧体磁珠揭秘

作者： Jefferson A. Eco 和 Aldrick S. Limjoco

简介

过滤高频电源噪声并干净地分享相似电源供电轨（即混合信号 IC 的模拟和数字供电轨），同时在共享的供电轨之间保持高频 隔离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。

然而，若系统设计中对铁氧体磁珠使用不当，则会产生不利影 响。有一些例子可以说明：由于磁珠和去耦电容搭配用于低通 滤波而导致产生干扰谐振；直流偏置电流的依赖性导致磁珠的 EMI 抑制能力下降。正确理解并充分考虑铁氧体磁珠的特性后， 这些问题是可以避免的。

本文讨论系统设计人员在电源系统中使用铁氧体磁珠时的注意 事项，比如直流偏置电流变化时的阻抗与频率特性，以及干扰 LC 谐振效应。最后，为了解决干扰谐振问题，介绍了阻尼技术， 并比较了各项阻尼方法的有效性。

为演示铁氧体磁珠作为输出滤波器影响而采用的器件是一款 2 A/1.2 A DC-DC 开关调节器，具有独立的正输出和负输出 (ADP5071)。文中所用的铁氧体磁珠主要采用芯片类型表贴 封装。

铁氧体磁珠简化模型与仿真

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1a 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）。


图1. (a) 简化电路模型 (b) 采用Tyco Electronics BMB2A1000LN2 测量的ZRX曲线。

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（如图1b 所示），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。该元件用作电阻，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。此容性点位置为容性电抗 (–X) 绝对值等于 R 的频率处。

某些情况下，简化电路模型可用来近似计算铁氧体磁珠高达 sub-GHz 范围的阻抗特性。

本文以Tyco Electronics BMB2A1000LN2 多层铁氧体磁珠为例。 图1b 显示了在零直流偏置电流条件下使用阻抗分析仪测得的 BMB2A1000LN2 ZRX 响应。

在测得的ZRX 曲线上，磁珠表现出最大感性特性（Z ≈ XL；LBEAD） 的区域中，该磁珠的电感可根据下列公式计算：



其中:

f 是区域内磁珠表现为感性的任意频率点。本例中，f = 30.7 MHz。 XL 是30.7 MHz 时的电抗，数值为233 Ω。

由公式1 得出的电感值 (LBEAD) 等于1.208 μH。

在磁珠表现出最大容性特性（Z ≈ | XC|；CPAR）的区域中，寄生 电容可根据下列公式计算：



其中:

f 是区域内磁珠表现为容性的任意频率点。本例中，f = 803 MHz |XC|是803 MHz 时的电抗，数值为118.1 Ω。

由公式2 得出的寄生电容值 (CPAR) 等于1.678 pF。

根据制造商的数据手册，直流电阻 (RDC) 等于300 mΩ。交流电 阻 (RAC) 是磁珠表现为纯阻性时的峰值阻抗。从Z 中减去RDC 即可得出RAC。由于相比峰值阻抗，RDC 极小，因而可以忽略。 因此，本例中RAC 等于1.082 kΩ。使用ADIsimPE 电路仿真工具 （由SIMetrix/SIMPLIS 供电）生成阻抗与频率响应的关系。图 2a 显示了电路仿真模型，并提供计算值；图2b 显示了实际测量 结果以及仿真结果。本例中，从电路仿真模型得出的阻抗曲线 与测量曲线严格匹配。


图2. (a) 电路仿真模型 (b) 实际测量结果与仿真测量结果。

在噪声滤波电路设计和分析中，采用铁氧体磁珠模型很有帮助。 例如，当与去耦电容一同组成低通滤波器网络时，对电感进行 近似计算对于决定谐振频率截止很有帮助。然而，本文中的电 路模型是零直流偏置电流情况下的近似。此模型可能随直流偏 置电流的变化而改变，而在其他情况下可能需要采用更复杂的 模型。

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， 还需考虑磁珠相对于直流偏置电流的阻抗特性。大部分情况下， 制造商仅指定磁珠在100 MHz 的阻抗并公布零直流偏置电流时 的频率响应曲线数据手册。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。

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。电感饱和度根据组件磁芯所用的材料而有所 不同。图3a 显示了两个铁氧体磁珠的典型直流偏置依赖情况。 额定电流为50%时，电感最多下降90%。


图3. (a) 直流偏置对磁珠电感的影响以及相对于直流偏置电流 的曲线
(b) 采用TDK MPZ1608S101A 磁珠 (c) 采用Würth Elektronik 742 792 510 磁珠。

如需高效过滤电源噪声，则就设计原则来说，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。

此外，直流偏置电流的效果可通过频率范围内阻抗值的减少而 观察到，进而降低铁氧体磁珠的有效性和消除EMI 的能力。图 3b 和图3c 显示了铁氧体磁珠阻抗如何随直流偏置电流的变化而 改变。只需施加额定电流的50%，100 MHz 时的有效阻抗就会 从100 Ω 大幅下降至10 Ω（TDK MPZ1608S101A，100 Ω，3 A， 0603），以及从70 Ω 下降至15 Ω（Würth Elektronik 742 792 510， 70 Ω，6 A，1812）。

系统设计人员必须完全了解直流偏置电流对磁珠电感和有效阻 抗的影响，因为这对于要求高电源电流的应用可能十分重要。