磁珠的外形与电感相似,其主要功能是吸收电源、信号上的噪声等干扰。
请注意到“吸收”这两个字。电容本身可以起到滤波的作用,电感和电容相配合也能起到滤波的作用,但这种滤波,并没有真正将噪声消除。例如,电容的滤波,其原理是在高频时构建一条通到地平面的低阻抗通道,以便将噪声泄放到地平面。而电感和电容配合的滤波,其原理是构建一个低通滤波器,使频段比较低的信号顺利而无衰减地通过,而阻断频段比较高的噪声,低通滤波器对高频段噪声而言,近似于一个极大的电阻,高频段噪声遇到这个极大的电阻,只能被反射回去,基于该原理,应用低通滤波器能有效地保证滤波器后级电路的稳定性。
根据滤波作用原理可知,电容滤波的基础是构建极低阻抗的通道,至于多低的阻抗才能使单板上绝大多数噪声通过该通道而流回地平面,需要进行大量复杂的电源完整性仿真才能确定。在设计中,一般是采取宁滥勿缺的原则,即布放尽量多的电容,这样做不仅耗费了大量宝贵的 PCB 面积,而且许多电容并没有真正发挥作用,造成无谓的成本上升。而由电感构成的低通滤波,甚至无法将噪声泄放到地平面上,其工作原理是将噪声予以反射,噪声仍然在电路中四处游串;低通滤波的另一个缺陷是,其应用频率范围一般都只能在几十兆赫兹之内,无法有针对性地滤除某些特定频率上的高频噪声。
基于以上讨论,可以看出这两种滤波方式都没有真正地消灭噪声,只是改变了噪声传播的路径。而本小节将要介绍的磁珠,基于的则是完全不同的滤波机理。
磁珠的作用也是滤波,但与电容和电感不同的是,磁珠在一定频带内能反射噪声,在一定频带内还能吸收噪声并转换为热能。
在器件资料上,磁珠的参数是其在100MHz时的阻抗值。
图2.30 磁珠的等效电路
如图 2.30 所示为磁珠的等效电路图。磁珠等效电路的电抗成分以 X 表示,电阻成分以 R 表示。其整体特性用 R和X合成的阻抗Z的频率特性表示 [60] 。
图 2.31 中的特性曲线取自两种磁珠的器件资料。在100MHz时这两种器件的阻抗相等,那么这两种器件是否可以完全相互替代?答案是否定的。
图2.31 两种磁珠的阻抗频率特性曲线 [15]
磁珠的阻抗 Z 由电阻成分 R 和电抗成分 X 共同决定。在低频段,X 起主导作用,磁珠主要体现为电感性,功能是反射噪声;在高频段,R 起决定作用,磁珠主要体现为电阻性,功能是吸收噪声并将噪声转换为热。这两种功能的转换点就是曲线上,R和X值相等处的频率。 [60]
转换点所在频率以下,磁珠体现电感性,转换点所在频率以上,磁珠体现电阻性。电感性的作用是反射噪声,电阻性的作用是吸收噪声并转化为热能。因此,转换点所在频率越高,磁珠体现电感性的频带越宽,对低频噪声的吸收能力越弱;转换点所在频率越低,磁珠体现电阻性的频带越宽,对低频噪声的吸收能力越强。在磁珠选型时,需要仔细分析电路上信号和噪声所处的频带,所选择的磁珠应满足:电路噪声的频带大于磁珠转换点频率,以便使磁珠吸收噪声而不是反射噪声;电路信号的频带尽量小于磁珠转换点频率,以防有效信号被磁珠衰减。
对于串联了磁珠的线路,磁珠的转换点频率越低,线路振荡和波形失真就越小;反之则越大。
除了转换点频率外,磁珠选型还需要考虑额定电流、直流电阻和谐振频率(图 2.31 中的自共振频率)等因素。与电感类似,磁珠应用于电源电路滤波时,工作电流不能大于其额定电流;磁珠本身具有直流电阻,当电源电路的电流较大时,还应考虑在磁珠上产生的压降。图 2.31 中,当工作频率高于谐振频率时,磁珠表现出电容性,阻抗迅速减小,因此应选择谐振频率点高的磁珠 [60] 。此处需要特别注意的是,磁珠的 转换点频率 和 谐振频率 ,在意义上有所不同。
在磁珠的应用中,许多考虑因素与电感相同,本小节不再就磁珠的应用而单独举例。
在高速设计中,磁珠应用的场合越来越多,那么设计中使用磁珠是否会带来副作用?下面就这个问题举一个案例。
单板上某电源 V OUT 由来自背板的电源 10V 通过 DC/DC 电源电路产生,并利用电源芯片的电流监控功能实现过流保护,如图 2.32 所示。在强度测试时发现,即使将 0.025Ω电阻换为0.1Ω电阻,也无法关断DC/DC电源芯片的GATE输出。
图2.32 带电流监控功能的DC/DC电源电路
【讨论】
如图2.33所示为该DC/DC电源芯片的电流监控框图。
该芯片电源监控的原理是利用 V CC 引脚和 SENSE 引脚之间的电阻压降与芯片内部50mV电压源相比较的结果,控制EA(Error Amplifier,偏差放大器)的输出。当电阻压降大于50mV时,EA将GATE关断。通过电阻R阻值的选择,可以设置电源电路正常工作时的极限电流流量,I max =50mV/R。在本例中,当R=0.025Ω时I max =2A;强度测试中,R=0.1Ω时,I max =0.5A。对 V OUT 进行电流测试发现,单板稳定工作时,10V 电源上的电流为 0.8A,电源芯片为何没有检测到过流?
图2.33 DC/DC电源芯片电流监控框图
仔细查看原理图,发现电流监控和 V OUT 的产生,二者实际上走了两条不同的路径,即10V 电源进入单板后,分开两路,一路通过电阻连接到电源芯片的 SENSE 引脚,一路通过BEAD1 与 MOSFET 相连后产生 V OUT 。在这两路中,第一条路径是不耗电流的,第二条路径才是真正需要被监控的。但在本设计中,实际得到监控的是不耗电流的第一条路径,所以在强度测试中,即便将R改为0.1Ω,也不会报警过流。
在电源电路中,设计者往往喜欢串接磁珠以实现滤波,这几乎成了最常规的设计方法,因此往往不加仔细思考。但从这个案例可以看出,过度地使用磁珠也会带来副作用,而且问题往往比较隐蔽。
在改板设计中,将磁珠BEAD1去掉,电路修改为图2.34,过流保护功能得以实现。
图2.34 改板后的DC/DC电源电路
理解要点:
① 磁珠的转换点频率越低,线路振荡和波形失真越小,反之则越大。
② 磁珠的工作电流不能大于其额定电流,设计中需考虑到由于直流电阻的存在而造成的压降。
③ 当工作频率高于谐振频率时,磁珠表现出电容性。
④ 磁珠的转换点频率和谐振频率,在意义上有所不同。
磁珠与电感不仅在外形上相似,在功能上也存在很多相似之处,甚至在许多场合,磁珠和电感能相互替代。但是磁珠和电感是否完全等同呢?以下就几个方面对两者进行比较。
(1)电感和磁珠都可以用于滤波,但是机理不一样。电感滤波是将电能转换为磁能,磁能将通过两种方式影响电路:一种方式是重新转换回电能,表现为噪声;一种方式是向外部辐射,表现为 EMI(电磁干扰)。而磁珠是将电能转换为热能,不会对电路构成二次干扰。
(2)电感在低频段滤波性能较好,但在 50MHz 以上的频段滤波性能较差;磁珠利用其电阻成分能充分地吸收高频噪声,并将之转换为热能以达到彻底消除高频噪声的目的。
(3)从 EMC(电磁兼容)的层面说,由于磁珠能将高频噪声转换为热能,因此具有非常好的抗辐射功能,是常用的抗 EMI 器件,常应用于用户接口信号线滤波、单板上的高速时钟器件的电源滤波等。
(4)电感和电容构成低通滤波器时,由于电感和电容都是储能器件,因此两者的配合可能产生自激;磁珠是耗能器件,与电容协同工作时,不会产生自激。
(5)一般而言,电源用电感的额定电流相对较大,因此,电感常用于需要通大电流的电源电路上,如用于电源模块滤波;而磁珠一般仅用于芯片级电源滤波(不过,目前市场上已经出现了大额定电流的磁珠)。
(6)磁珠和电感都具有直流电阻,磁珠的直流电阻相对于同样滤波性能的电感更小一些,因此用于电源滤波时,磁珠上的压降更小。
(1)额定电流。当电感的工作电流超过其额定电流时,电感值将迅速减小,但电感器件未必被损坏;而磁珠的工作电流超过其额定电流时,将会对磁珠造成损伤。
(2)直流电阻。用于电源线路时,线路上存在一定的电流,如果电感或磁珠本身的直流电阻较大,则会产生一定压降。因此选型中,都要求选择直流电阻小的器件。
(3)频率特性曲线。电感和磁珠的厂家资料都附有器件频率特性曲线图。在选型中,需要仔细参考这些曲线,以选择合适的器件。