電源濾波電路中的磁珠應(yīng)用和設(shè)計(jì)

陳劍鋒

摘 要：現(xiàn)代大規(guī)模集成電路芯片，集成了越來(lái)越多的功能電路，核心時(shí)鐘頻率也不斷提高，功耗不斷增大，相對(duì)應(yīng)的是供電電源的電壓要求越來(lái)越低；低的供電電壓閾值則要求電源電路要有更低的紋波噪聲，才能讓集成電路正常工作，需要對(duì)電源的濾波電路進(jìn)行精心設(shè)計(jì)才能滿足芯片要求，磁珠做為一種高頻濾波器件，常用于高頻電源的濾波電路中。本文結(jié)合實(shí)際工程過(guò)程中的一些問(wèn)題，針對(duì)磁珠電路的器件選型，參數(shù)設(shè)計(jì)等做一個(gè)系統(tǒng)的分析和總結(jié)，用于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中的核心芯片的關(guān)鍵電路的濾波設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：濾波；鐵氧體磁珠；等效模型；諧振

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.144

0 引言

隨著現(xiàn)代大規(guī)模集成芯片的功能、性能不斷提升，導(dǎo)致功耗越來(lái)越大；為解決芯片功耗問(wèn)題，芯片供電電壓越來(lái)越低，從5V降到3.3V，1.8V甚至到0.9V；這就對(duì)供電電源的紋波和噪聲提出了更高的要求，需要精心設(shè)計(jì)濾波電路，才能滿足供電要求。鐵氧體磁珠作為一種優(yōu)秀濾波器件，廣泛用于電源濾波電路當(dāng)中。但是，由于磁珠材料本身頻率特性，在不同的頻率情況下，呈現(xiàn)不同的特性；同時(shí)由于磁珠器件本身的參數(shù)偏差，相同的電路也會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果；因此，濾波電路需要根據(jù)實(shí)際電路要求進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，才能達(dá)到濾波效果；否則會(huì)出現(xiàn)諧振，導(dǎo)致相反的效果。

1 磁珠特性介紹

鐵氧體磁珠是應(yīng)用發(fā)展很快的一種抗干擾組件，廉價(jià)、易用，濾除高頻噪聲效果顯著。鐵氧體磁珠具有很高的電阻率和磁導(dǎo)率，他等效于電阻和電感串聯(lián)，但電阻值和電感值都隨頻率變化（頻率特性見(jiàn)圖1） 他比普通的電感有更好的高頻濾波特性，在高頻時(shí)呈現(xiàn)阻性，所以能在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的阻抗，從而提高調(diào)頻濾波效果。

2 磁珠等效模型及參數(shù)估算

一些對(duì)噪聲敏感的電源濾波電路利用磁珠和電容，組成低通濾波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻電源噪聲的濾除。但是，由于現(xiàn)有開(kāi)關(guān)電源的頻率都低于1MHz，而根據(jù)磁珠的頻率特性，其在低頻段以感性為主，阻性較小，和電容設(shè)計(jì)匹配不好的話，會(huì)形成諧振，引入不必要的噪聲。特別是在電源開(kāi)關(guān)頻率以及多次諧波的頻率點(diǎn)上形成諧振的話，會(huì)取得相反的濾波效果。下文結(jié)合一個(gè)實(shí)際用例，對(duì)磁珠濾波電路的參數(shù)選擇，設(shè)計(jì)做一個(gè)分析，給出一種磁珠濾波電路如何避免諧振的設(shè)計(jì)方法。

磁珠的濾波電路示意以及磁珠的等效模型如下：

根據(jù)上述模型，可以通過(guò)仿真手段，得出該電路的頻率諧振曲線，來(lái)判斷該電路的濾波設(shè)計(jì)是否在關(guān)鍵頻率點(diǎn)上存在諧振，并通過(guò)器件參數(shù)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)好的濾波效果。一般的，磁珠廠家不會(huì)直接提供磁珠模型的參數(shù)，本文提供一種根據(jù)器件頻率曲線進(jìn)行參數(shù)估算的方法。

根據(jù)圖一的曲線：

在10M時(shí)，X約20歐，X=2*π*F*L，帶入得到：Lbead=318n；

在100M時(shí)，Z=80歐，R=70歐，X=42歐，Z=（2*π*F*L-1/2*π*C*L）+R，帶入得到：Cpar=49P

從曲線看，Rpar最大值約115歐

Rbead=0.025歐。

3 濾波電路設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試實(shí)例

磁珠參數(shù)獲取后，接下來(lái)根據(jù)電容的規(guī)格書(shū)，或者電容的等效參數(shù)，濾波電容使用的是2顆MURTRA的GRM118R71H104，其等效參數(shù)如下：

ESL=0.63nH；ESR=16m；C=0.1U

在增加計(jì)算PCB過(guò)孔，走線和芯片管腳的電感，約2.2nH。電路模型從理想的模型變?yōu)槿缦聢D：

經(jīng)過(guò)仿真，可知在600KHz頻點(diǎn)上存在一個(gè)諧振點(diǎn)。

某項(xiàng)目的核心芯片的PLL電源，電壓1.8V，紋波噪聲要求小于50mv，電源開(kāi)關(guān)頻率為300KHz。采用上述電路，實(shí)測(cè)電源紋波除300KHz基頻外，還存在一個(gè)600K左右的紋波，幅度達(dá)到110mv，實(shí)際使用中存在20%芯片無(wú)法正常工作的故障率。

通過(guò)上述模型，更改所用的磁珠型號(hào)或者更換電容容值，都能夠避開(kāi)敏感的諧振點(diǎn)，使電源紋波噪聲降低，使芯片故障消除。

4 結(jié)束語(yǔ)

磁珠濾波電路是一種廣泛用的濾波電路，但存在電路諧振的問(wèn)題導(dǎo)致相反的濾波效果。通過(guò)本文的設(shè)計(jì)方法和參數(shù)模型，能夠得到一種簡(jiǎn)易方便的磁珠電路設(shè)計(jì)方法，避開(kāi)諧振點(diǎn)并取得良好的濾波效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]《AN 583： Designing Power Isolation Filters with Ferrite Beads for Altera FPGAs》 Altera Corporation

[2]《AN 574： Printed Circuit Board （PCB） Power Delivery Network （PDN） Design Methodology》 Altera Corporation

[3]《Trilogy of Magnetics》 Wurth Electronics Inc.