電源濾波電路中的磁珠應用和設計

陳劍鋒

摘 要：現代大規模集成電路芯片，集成了越來越多的功能電路，核心時鐘頻率也不斷提高，功耗不斷增大，相對應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行精心設計才能滿足芯片要求，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。本文結合實際工程過程中的一些問題，針對磁珠電路的器件選型，參數設計等做一個系統的分析和總結，用于項目開發過程中的核心芯片的關鍵電路的濾波設計。

關鍵詞：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

隨著現代大規模集成芯片的功能、性能不斷提升，導致功耗越來越大；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，需要精心設計濾波電路，才能滿足供電要求。鐵氧體磁珠作為一種優秀濾波器件，廣泛用于電源濾波電路當中。但是，由于磁珠材料本身頻率特性，在不同的頻率情況下，呈現不同的特性；同時由于磁珠器件本身的參數偏差，相同的電路也會出現不同的結果；因此，濾波電路需要根據實際電路要求進行匹配設計，才能達到濾波效果；否則會出現諧振，導致相反的效果。

1 磁珠特性介紹

鐵氧體磁珠是應用發展很快的一種抗干擾組件，廉價、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率，他等效于電阻和電感串聯，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，在高頻時呈現阻性，所以能在相當寬的頻率范圍內保持較高的阻抗，從而提高調頻濾波效果。

2 磁珠等效模型及參數估算

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，實現對高頻電源噪聲的濾除。但是，由于現有開關電源的頻率都低于1MHz，而根據磁珠的頻率特性，其在低頻段以感性為主，阻性較小，和電容設計匹配不好的話，會形成諧振，引入不必要的噪聲。特別是在電源開關頻率以及多次諧波的頻率點上形成諧振的話，會取得相反的濾波效果。下文結合一個實際用例，對磁珠濾波電路的參數選擇，設計做一個分析，給出一種磁珠濾波電路如何避免諧振的設計方法。

磁珠的濾波電路示意以及磁珠的等效模型如下：

根據上述模型，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計是否在關鍵頻率點上存在諧振，并通過器件參數的調整，實現好的濾波效果。一般的，磁珠廠家不會直接提供磁珠模型的參數，本文提供一種根據器件頻率曲線進行參數估算的方法。

根據圖一的曲線：

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

在100M時，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 濾波電路設計及仿真調試實例

磁珠參數獲取后，接下來根據電容的規格書，或者電容的等效參數，濾波電容使用的是2顆MURTRA的GRM118R71H104，其等效參數如下：

ESL=0.63nH；ESR=16m；C=0.1U

在增加計算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為如下圖：

經過仿真，可知在600KHz頻點上存在一個諧振點。

某項目的核心芯片的PLL電源，電壓1.8V，紋波噪聲要求小于50mv，電源開關頻率為300KHz。采用上述電路，實測電源紋波除300KHz基頻外，還存在一個600K左右的紋波，幅度達到110mv，實際使用中存在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，使電源紋波噪聲降低，使芯片故障消除。

4 結束語

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致相反的濾波效果。通過本文的設計方法和參數模型，能夠得到一種簡易方便的磁珠電路設計方法，避開諧振點并取得良好的濾波效果。

參考文獻：

[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.