《解決數(shù)顯表EMC問題的磁元件-磁珠篇(上) 》講解了磁珠的基本參數(shù)，本篇昌暉儀表將重點剖析一下調(diào)節(jié)濾波系統(tǒng)阻尼的方法及磁珠在直流偏置下的影響。

4、調(diào)節(jié)濾波系統(tǒng)阻尼的方法
本節(jié)介紹幾種調(diào)節(jié)阻尼的方法，可用于降低諧振尖峰電平。Jefferson Eco在其文章中提出了三種方法 ：


圖22  不同阻尼方法的頻率響應(yīng)
方法A是在去耦電容路徑上添加一個串聯(lián)電阻，可抑制系統(tǒng)諧振，但會降低高頻旁路有效性。方法B是在鐵氧體磁珠兩端添加一個小數(shù)值并聯(lián)電阻，這樣也會抑制系統(tǒng)諧振。但是，在高頻時濾波器的衰減特性會下降。下圖顯示了MPZ1608S101A使用和不使用10Ω并聯(lián)電阻的情況下阻抗與頻率的關(guān)系曲線。淺綠色虛線表示磁珠采用10Ω并聯(lián)電阻的總阻抗。磁珠阻抗和電阻組合大幅下降，并主要由10Ω電阻決定。但是，采用10Ω并聯(lián)電阻時的3.8MHz交越頻率遠(yuǎn)低于磁珠自身在40.3MHz時的交越頻率。在低得多的頻率范圍內(nèi)磁珠表現(xiàn)出阻性，可降低Q值，改善阻尼性能。

圖23a MPZ1608S101A ZRX曲線                                                          圖23b MPZ1608S101A ZRX曲線
當(dāng)昌暉儀表將文獻(xiàn)中描述的方法應(yīng)用在的開關(guān)電源中，發(fā)現(xiàn)前兩種方法并未能夠降低0.6MHz的噪聲幅值，第三種方法可以有效降低所有高頻諧波噪聲。

圖24  三種方式應(yīng)用在節(jié)開關(guān)電源中的效果
相較于Jefferson Eco，Ken Kundert在其文章中不僅詳細(xì)介紹了如何處理欠阻尼，并且給出了每種情況的計算方式。

圖25  阻尼解耦網(wǎng)絡(luò)的幾種方法以及臨界阻尼所需電阻的值
從上圖中作者給出的四種方法中，不難看出均存在一定的缺陷，一定程度上犧牲了濾波插損或者信號電源能量。為此，作者補充了一種即滿足RCL并聯(lián)，也滿足串聯(lián)的阻尼調(diào)節(jié)方法。如下圖所示，可以看出此方法與Jefferson Eco描述的方法一模一樣，不同的是Ken Kundert進(jìn)一步給出了??????????，??????????，????????三者間的關(guān)系，即

圖26  為解耦網(wǎng)絡(luò)提供阻尼的首選方法
由于實際電路中存在著諸多我們并不能夠精確測量的分布參數(shù)，所以上面的方法并不總是有效，對于多數(shù)工程師來講，并不太愿意去嘗試。這里昌暉儀表提出一個簡單粗暴的方法，即對于低頻開關(guān)頻率方面遇到的類似問題，可通過增加電感的方式濾除。感值應(yīng)不小于50uH，當(dāng)然這個目標(biāo)參數(shù)的設(shè)置并非一成不變。下圖為在磁珠基礎(chǔ)上增加一個電感，電感感值從10uH增加到50uH的結(jié)果，可以看到，當(dāng)增加到50uH以后，所有諧波分量的噪聲幅值均比初始無濾波電路時要低。

圖27 在電路上增加電感來調(diào)節(jié)阻尼
因為占空比50%為一個特殊情況，當(dāng)把負(fù)載由初始的10Ω降低到2Ω時(模擬電路滿載情況)，此時占空比大約為64%。此時的偶次諧波充分體現(xiàn)出來，增加電感在滿載情況下依舊適用。而上面文獻(xiàn)中提及的方法依舊會遇到低頻超出初始值的情況。

圖28  電源負(fù)載增加后調(diào)節(jié)感值的效果依舊

圖29  采用文獻(xiàn)提及的三種方法在重載情況下測到的傳導(dǎo)噪聲

5、磁珠在直流偏置下的影響
為電源應(yīng)用選擇正確的鐵氧體磁珠不僅需要考慮濾波器帶寬，還需考慮磁珠相對于直流偏置電流的阻抗特性。大部分情況下，制造商僅指定磁珠在100MHz的阻抗并公布零直流偏置電流時的頻率響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)手冊。然而，將鐵氧體磁珠用作電源濾波時，通過磁珠的負(fù)載電流始終不為零，并且隨著直流偏置電流從零開始增長，這些參數(shù)也會隨之迅速改變。隨著直流偏置電流的增加，磁芯材料開始飽和，導(dǎo)致鐵氧體磁珠電感大幅下降。電感飽和度根據(jù)組件磁芯所用的材料而有所不同。下圖顯示了兩個鐵氧體磁珠的典型直流偏置依賴情況。額定電流為50%時，電感最多下降90%。

圖30a 直流偏置對磁珠電感的影響以及相對于直流偏置電流的曲線

圖30b 采用TDKMPZ1608S101A磁珠

圖30c 采用Wurth Elektronik742 792 510磁珠
如需高效過濾電源噪聲，則就設(shè)計原則來說，應(yīng)在額定直流電流約20%處使用鐵氧體磁珠。如這兩個示例所示，在額定電流 20%處，電感下降至約30%(6A磁珠)以及約15%(3A磁珠)。鐵氧體磁珠的電流額定值是器件在指定升溫情況下可承受的最大電流值，并非供濾波使用的真實工作點。

此外，直流偏置電流的效果可通過頻率范圍內(nèi)阻抗值的減少而觀察到，進(jìn)而降低鐵氧體磁珠的有效性和消除EMI的能力。圖 30b和圖30c顯示了鐵氧體磁珠阻抗如何隨直流偏置電流的變化而改變。只需施加額定電流的50%，100MHz時的有效阻抗就會從100Ω大幅下降至10Ω(TDKMPZ1608S101A，100Ω，A，0603)，以及從70Ω下降至15Ω(Würth Elektronik742 792 510，70Ω，6 A，1812)。

昌暉儀表專業(yè)生產(chǎn)數(shù)顯表 http://prosperiteweb.com/product/，昌暉工程師也愿意將工作中總結(jié)的經(jīng)驗和讀者朋友和儀表同行分享，關(guān)于磁珠在數(shù)顯表中應(yīng)用內(nèi)容分享完畢。