三个频率范围适用于铁氧体珠的使用

在所有电子元件中，有一种元件产生的争议和误解比其他任何元件都要多。那就是铁氧体磁珠。这些看似简单的元件被誉为EMI的万能解决方案，用于隔离电源轨和重新连接断开的地线的元件。真是不可思议，一个小小的磁性元件竟能做这么多事情！

我当然是在讽刺，因为事实是，铁氧体磁珠只有在某些时候对这些事情有效，特别是在电源供应或直接在高速PCB上的元件电源引脚上应用时。在处理这一组应用时，有三个主要领域可能会使用铁氧体磁珠。

1. 在电源输出引脚上
2. 与数字IC的VDD引脚串联
3. 由同一调节器供电的两个电源轨之间

这些是铁氧体磁珠在电源电路和负载上最常见的三种用途。有趣的是，这反映了铁氧体磁珠在三个可能的频率范围内的行为：直流（或接近直流）、接近铁氧体共振的中等频率，以及在铁氧体共振频率或更高频率上的非常高频率。

一切都关乎电源输出阻抗

上述三种情况下使用铁氧体磁珠可能与电源输出阻抗没有明显关系，但这正是铁氧体磁珠如上所述使用时可以修改的。

一般而言，电源的输出阻抗越低越好，这样就不会在从内部调节电路到输出端口供电时损失任何功率。当电源需要为具有快速切换I/O的数字IC供电时，电源需要保持尽可能低的阻抗，直到尽可能高的频率。这种低阻抗需要扩展到高MHz范围，以确保电源完整性。

出于过滤目的在电源电路输出上放置铁氧体磁珠将显著增加铁氧体共振附近的电源输出阻抗，如下图所示。要了解更多关于这方面的信息，请观看OMICRON Lab的这个演讲关于电源输出阻抗。

在上图中，蓝色曲线显示了电源输出阻抗，铁氧体磁珠存在于输出上。虽然铁氧体磁珠确实过滤了可能通过电源电路输出传导的高频噪声，但它也在高速系统和射频系统中创建了两个问题：

• 铁氧体磁珠与电容器共振，导致电源轨噪声增加
• 铁氧体磁珠的额外电感和电阻可能干扰电源电路的控制环路

如果你只是看看典型的铁氧体珠的阻抗曲线，这应该是显而易见的。阻抗在中频范围接近峰值，并且主要表现为电阻性。当在电源输出端放置一个铁氧体时，还能期待会发生什么呢？

村田制作所型号BLM18PG121SN1的铁氧体珠阻抗曲线示例。

现在我们掌握了这些信息，在上述列出的三种情况下放置铁氧体时会发生什么呢？

高频下的慢响应

因为铁氧体在其共振点附近变为电阻性，它干扰了电源在负载以非常快的边缘速率要求电力时快速响应的能力。我们可以仅通过查看电源输出阻抗来推断这一点；当输出阻抗高时，电源在该频率范围内响应困难。这将导致在数字组件的PDN上激发瞬态时电压波动加大。

然而，如果你试图从电源中滤除任何高频噪声，这种行为正是你所希望的。换句话说，如果电源只需要提供直流电力，而你的负载总是在直流下操作，那么中频范围内高电源输出阻抗就无关紧要。如果负载总是直流，就永远不会有在快速边缘速率下的电流需求，所以我们不需要担心PDN上的纹波，铁氧体将提供一个很好的滤波功能。

要了解更多关于这方面的信息，请观看与Keysight的Heidi Barnes的播客剧集片段。

VDD噪声叠加在输出信号上

在前一节中，铁氧体被用作电源输出的滤波组件并放置在VDD引脚上，这两者都导致了在数字组件的I/O输出上观察到的另一个问题。当铁氧体放置在VDD引脚上时，它现在增加了通往该引脚的整个PDN的阻抗。这本质上与增加电源输出阻抗相同，结果是PDN电压中的相同噪声。

下面显示了一个示例示波器迹线，在PDN阻抗高的情况下。这种高阻抗可以来自过多的电感或过多的电阻；记住，铁氧体在不同频率范围内提供两者。当高阻抗与高电流相互作用时，阻抗和电流波形的乘积给出一个电压波形。

使用测试时钟信号驱动的PDN高阻抗下的电源轨纹波测量结果示例。在本文中了解更多。

无论是在电源输出引脚还是数字负载的VDD引脚上放置铁氧体的情况，噪声随后都会叠加到输出信号的电压级别上，这些输出信号直接由VDD引脚供电。这是电源完整性问题在VDD引脚观察到的一个典型例子，它变成了一个信号完整性问题，这一切都是因为当I/O尝试通过VDD引脚吸收大电流时，PDN响应时间变慢所致。

轨道间隔离

在同一个调节器供电的两个电源轨道之间放置铁氧体作为隔离元件，遵循下图所示的拓扑。这里，我们有一个调节器为两个负载供电；每个负载上的轨道通过一个铁氧体连接在一起，每个轨道都有自己的电容。

用于隔离同一电源电路供电的两个负载之间的铁氧体珠放置的拓扑图。

在轨道之间放置铁氧体作为隔离元件有着不同的结果。从某种意义上说，放置铁氧体增加了连接处的阻抗，因此你可能期望在隔离轨道输出处有更高的噪声。然而，如果主轨道激发了一个瞬态，你可能期望铁氧体帮助过滤那些高频噪声，防止它们到达隔离轨道。那么这些结果中的哪一个实际发生了呢？

答案是“这取决于”。特别是，它取决于以下几点：

1. 主负载所需的功率谱
2. 隔离负载所需的功率谱
3. 铁氧体的谐振频率

这应该说明了为什么关于这个问题的一些测量结果是矛盾的；在这种情况下使用铁氧体的谐振频率没有硬性规则。

原因在于，如上图所示的拓扑中放置的铁氧体创建了传输阻抗，这是频率的函数。因此，没有简单的方法来预测铁氧体是“好”还是“坏”，除非进行脉冲响应计算，这必须在Mathematica、Matlab中完成，或者手工完成。如果你不熟悉这个，你可以尝试使用SPICE模拟，或者你可以构建一个测试板并测量它。

• 了解更多关于在SPICE仿真中使用磁珠的信息
• 查看磁珠在隔离中失败的示例

磁性材料的频率范围是什么？

上面提供了大量信息，因此我认为将磁珠的放置与其适当的工作频率范围联系起来很重要。下表总结了磁珠可以使用和不应使用的操作范围。

我认为这为我们使用磁珠作为噪声过滤元件提供了一个好的经验法则：如果你的电路打算在直流或仅在低频下操作，那么大多数情况下磁珠就足够好了。如果你的板子使用高速数字技术，即使是简单的SPI，你也不应该使用磁珠试图去除电源和数字负载之间的噪声。

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