电源滤波电路中的磁珠应用和设计

1、电源滤波电路中的磁珠应用和设计摘 要：现代大规模集成电路芯片，集成了越来越多 的功能电路，核心时钟频率也不断提高，功耗不断增大，相 对应的是供电电源的电压要求越来越低；低的供电电压阈值 则要求电源电路要有更低的纹波噪声，才能让集成电路正常 工作，需要对电源的滤波电路进行精心设计才能满足芯片要 求，磁珠做为一种高频滤波器件，常用于高频电源的滤波电 路中。本文结合实际工程过程中的一些问题，针对磁珠电路 的器件选型，参数设计等做一个系统的分析和总结，用于项 目开发过程中的核心芯片的关键电路的滤波设计。关键词：滤波；铁氧体磁珠；等效模型；谐振DOI ： 10.16640/ki.37-1222/t.20

2、18.10.1440 引言 随着现代大规模集成芯片的功能、性能不断提升，导致 功耗越来越大；为解决芯片功耗问题，芯片供电电压越来越 低，从5V降到3.3V , 1.8V甚至到0.9V;这就对供电电源的 纹波和噪声提出了更高的要求，需要精心设计滤波电路，才 能满足供电要求。铁氧体磁珠作为一种优秀滤波器件，广泛 用于电源滤波电路当中。 但是，由于磁珠材料本身频率特性， 在不同的频率情况下，呈现不同的特性；同时由于磁珠器件 本身的参数偏差，相同的电路也会出现不同的结果；因此， 滤波电路需要根据实际电路要求进行匹配设计，才能达到滤 波效果；否则会出现谐振，导致相反的效果。1 磁珠特性介绍 铁氧体磁珠是

3、应用发展很快的一种抗干扰组件，廉价、 易用，滤除高频噪声效果显著。铁氧体磁珠具有很高的电阻 率和磁导率，他等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值 都随频率变化 （频率特性见图 1） 他比普通的电感有更好的 高频滤波特性，在高频时呈现阻性，所以能在相当宽的频率 范围内保持较高的阻抗，从而提高调频滤波效果。2 磁珠等效模型及参数估算 一些对噪声敏感的电源滤波电路利用磁珠和电容，组成 低通滤波器，实现对高频电源噪声的滤除。但是，由于现有 开关电源的频率都低于 1MHz ，而根据磁珠的频率特性，其 在低频段以感性为主， 阻性较小， 和电容设计匹配不好的话， 会形成谐振，引入不必要的噪声。特别是在电源开

4、关频率以 及多次谐波的频率点上形成谐振的话，会取得相反的滤波效 果。下文结合一个实际用例，对磁珠滤波电路的参数选择， 设计做一个分析，给出一种磁珠滤波电路如何避免谐振的设 计方法。磁珠的滤波电路示意以及磁珠的等效模型如下： 根?上述模型，可以通过仿真手段，得出该电路的频率谐振曲线，来判断该电路的滤波设计是否在关键频率点上存在谐振，并通过器件参数的调整，实现好的滤波效果。一般的，磁珠厂家不会直接提供磁珠模型的参数，本文提供一种 根据器件频率曲线进行参数估算的方法。根据图一的曲线：在10M时，X约20欧，X=2* n *F*L，带入得到：Lbead=318n；在 100M 时，Z=80 欧，R=7

5、0 欧，X=42 欧，Z= (2* n*F*L-1/2* n *C*L ) +R，带入得到： Cpar=49P从曲线看， Rpar 最大值约 115 欧Rbead=0.025 欧。3 滤波电路设计及仿真调试实例 磁珠参数获取后，接下来根据电容的规格书，或者电容 的等效参数，滤波电容使用的是 2 颗 MURTRA 的 GRM118R71H104 ，其等效参数如下：ESL=0.63nH；ESR=16m；C=0.1U在增加计算 PCB 过孔，走线和芯片管脚的电感，约2.2nH。电路模型从理想的模型变为如下图：经过仿真，可知在 600KHz 频点上存在一个谐振点。某项目的核心芯片的 PLL电源，电压1

6、.8V，纹波噪声 要求小于50mv，电源开关频率为 300KHZ。采用上述电路， 实测电源纹波除 300KHz 基频外，还存在一个 600K 左右的 纹波，幅度达到 110mv ，实际使用中存在 20% 芯片无法正常 工作的故障率。通过上述模型，更改所用的磁珠型号或者更换电容容 值，都能够避开敏感的谐振点，使电源纹波噪声降低，使芯 片故障消除。4 结束语 磁珠滤波电路是一种广泛用的滤波电路，但存在电路谐 振的问题导致相反的滤波效果。通过本文的设计方法和参数 模型，能够得到一种简易方便的磁珠电路设计方法，避开谐 振点并取得良好的滤波效果。参考文献：1 AN 583 ： Designing Power Isolation Filters with Ferrite Beads for Altera FPGAs Altera Corporation2 AN 574： Printed Circuit Board （PCB） Power Deliv