電源濾波電路中的磁珠應(yīng)用和設(shè)計(jì)

1、電源濾波電路中的磁珠應(yīng)用和設(shè)計(jì)摘 要：現(xiàn)代大規(guī)模集成電路芯片，集成了越來越多 的功能電路，核心時(shí)鐘頻率也不斷提高，功耗不斷增大，相 對應(yīng)的是供電電源的電壓要求越來越低；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)際工程過程中的一些問題，針對磁珠電路 的器件選型，參數(shù)設(shè)計(jì)等做一個系統(tǒng)的分析和總結(jié)，用于項(xiàng) 目開發(fā)過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/ki.37-1222/t.20

2、18.10.1440 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 功耗越來越大；為解決芯片功耗問題，芯片供電電壓越來越 低，從5V降到3.3V , 1.8V甚至到0.9V;這就對供電電源的 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

3、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)對高頻電源噪聲的濾除。但是，由于現(xiàn)有 開關(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， 會形成諧振，引入不必要的噪聲。特別是在電源開

4、關(guān)頻率以 及多次諧波的頻率點(diǎn)上形成諧振的話，會取得相反的濾波效 果。下文結(jié)合一個實(shí)際用例，對磁珠濾波電路的參數(shù)選擇， 設(shè)計(jì)做一個分析，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?上述模型，可以通過仿真手段，得出該電路的頻率諧振曲線，來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* n *F*L，帶入得到：Lbead=318n；在 100M 時(shí)，Z=80 歐，R=7

5、0 歐，X=42 歐，Z= (2* n*F*L-1/2* n *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，接下來根據(jù)電容的規(guī)格書，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)過仿真，可知在 600KHz 頻點(diǎn)上存在一個諧振點(diǎn)。某項(xiàng)目的核心芯片的 PLL電源，電壓1

6、.8V，紋波噪聲 要求小于50mv，電源開關(guān)頻率為 300KHZ。采用上述電路， 實(shí)測電源紋波除 300KHz 基頻外，還存在一個 600K 左右的 紋波，幅度達(dá)到 110mv ，實(shí)際使用中存在 20% 芯片無法正常 工作的故障率。通過上述模型，更改所用的磁珠型號或者更換電容容 值，都能夠避開敏感的諧振點(diǎn)，使電源紋波噪聲降低，使芯 片故障消除。4 結(jié)束語 磁珠濾波電路是一種廣泛用的濾波電路，但存在電路諧 振的問題導(dǎo)致相反的濾波效果。通過本文的設(shè)計(jì)方法和參數(shù) 模型，能夠得到一種簡易方便的磁珠電路設(shè)計(jì)方法，避開諧 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 Corporation2 AN 574： Printed Circuit Board （PCB） Power Deliv