加了濾波電路,結果電源紋波還變大了!

2020-11-23 EDN電子設計技術

現象：在電路中，在IC的電源引腳處經常會使用磁珠與板卡上面的其他電源隔離，還能達到抑制高頻噪聲，減小電源紋波的目的；但有的電路裡面的器件電源串接磁珠反而會增加電源紋波，即出現電源後端的噪聲明顯要大於磁珠前段的噪聲。IKKednc

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理想模型分析：

在高頻段，阻抗由電阻成分構成，隨著頻率升高，磁芯的磁導率降低，導致電感的電感量減小，感抗成分減小 但是，這時磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導致總的阻抗增加，當高頻信號通過鐵氧體時，電磁幹擾被吸收並轉換成熱能的形式耗散掉。IKKednc

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一般磁珠的參數會標稱高頻的電阻值，但往往大家只關注這個參數，而忽略其低頻的電感值。IKKednc

所以，這個電路中，我們理想的模型是一個RC濾波電路：IKKednc

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我們希望我們的濾波電路，能夠把高頻部分濾掉。IKKednc

假設我們有一個標稱100歐姆的磁珠，就表示這個磁珠在100MHz時的電阻為100歐，在直流時為0歐，所以可以建立以下是用於快速理解的磁珠模型。IKKednc

可見，在直流時，L將R短路，因此磁珠就表現為0歐。IKKednc

而當高頻的噪聲通過時，L近似為無窮大，因此磁珠就表現為一個100歐的電阻。IKKednc

但是從實際測試的效果來看，並不是如我們所願。IKKednc

實際模型分析：

鐵氧體可以等效為一個電感與電阻並聯，在低頻與高頻時分別呈現不同的特性。IKKednc

磁珠在低頻段，阻抗由電感的感抗構成，低頻時R很小，磁芯的磁導率較高，因此電感量較大，L起主要作用，電磁幹擾被反射而受到抑制，並且這時磁芯的損耗較小，整個器件是一個低損耗、高Q特性的電感，這種電感容易造成諧振因此在低頻段，有時可能出現使用鐵氧體磁珠後幹擾增強的現象。IKKednc

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如果我們的負載又比較小的時候，整個電路就是一個LC電路。下圖為磁珠的阻抗曲線。IKKednc

如果我們選擇的電容，和磁珠正好是以下這種情況。並且開關電源的開關頻率又在諧振頻率附近。那麼就出現了「諧振」，也就是輸入信號，在這個頻點被放大。IKKednc

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那麼我們就需要把這個諧振點降低頻率，遠離開關頻率。讓電源紋波在這個濾波電路的衰減區。這就需要增加電容的容值。IKKednc

有的朋友經過計算，覺得自己的電路諧振點應該是小於開關頻率的，但是實際測試，還是比預想的頻率要大。這是為什麼呢？IKKednc

直流電壓值變大了，電容值變小（耐壓範圍以內）IKKednc

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在給出的多種電容類型中，最常用的是X5R、X7R。所有的型號在環境條件變化時都會出現電容值變化。尤其Y5V在整個環境條件區間內，會表現出極大的電容量變化。IKKednc

當電容公司開發產品時，他們會通過選擇材料的特性，使電容能夠在規定的溫度區間（第一個和第二個字母），工作在確定的變化範圍內（第三個字母）。我正在使用的是X7R電容，它在-55°C到+125°C之間的變化不超過±15%。IKKednc

當我們在電容兩端加上電壓時，我們發現電壓就會導致電容值的變化（在耐壓範圍以內）。電容隨著設置條件的變化量是如此之大。我選擇的是一隻工作在12V偏壓下的耐壓16V電容。數據表顯示，4.7-μF電容在這些條件下通常只提供1.5μF的容量。IKKednc

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我們可以看到，不同的型號，不同的耐壓，不同的封裝的電容，隨著電壓上升的下降趨勢。IKKednc

對於某個給定的封裝尺寸和瓷片電容類型，電容的額定電壓似乎一般沒有影響。IKKednc

這裡除了考慮直流電壓，還需要考慮交流電壓、溫度等陶瓷電容的特性。IKKednc

（來源：硬體十萬個為什麼）IKKednc

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