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选择和使用铁氧体珠子

2015年10月11日经过罗伯特·凯马

本文提供了使用铁氧体珠子来提高PCB电力质量的实用指导。

使用铁氧体珠子来提高PCB的电力质量。

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The previous article discussed the importance of carefully considering impedance vs. frequency characteristics when choosing a ferrite bead: whenever possible, the targeted noise frequencies should fall within the bead’s “resistive band,” meaning the range of frequencies in which the resistive impedance dominates the reactive impedance. This is a fundamental aspect of maximizing your bead’s ability to suppress noise, but there are other specifications that you need to keep in mind—namely, DC resistance and rated current.

与旁路电容器不同,铁氧体珠子与电源线串联使用,这意味着流过珠子的任何DC电流将产生与直流电阻成比例的电压降。

笔记:一些不同的电路符号用于表示铁氧体珠子。这里显示的那个不是“官方”IEEE符号,但它有助于我们仍然认识到珠子和电感之间的功能性相似度。)

铁氧体珠的直流抗性远低于欧姆对于典型的表面贴装部分 - 很少在这个低功率IC时代的问题。But this is precisely where you can get into trouble: if you don’t check the DC resistance spec, or if you get into the habit of throwing the same ferrite bead in front of every IC, you might not notice that an unusually high-power device could draw enough current to cause a problem. Imagine, for example, that you happen to choose a part with fairly high DC resistance, say 0.7 Ω, and that you are using one bead to filter a 1.1 V core supply connected to multiple power pins on a high-performance digital signal processor. Maybe everything is fine during normal operation, but if that processor enters a period of intense computational activity and draws 400 mA through the bead, your 1.1 V core supply just decreased to 0.82 V. This temporary, operation-dependent power supply deviation could lead to the sort of intermittent failure mode that is notoriously difficult to diagnose.

额定电流似乎并不像似乎直截了当。实际上,如果通过珠子的稳态电流高于额定电流,则可能发生损坏。但是你需要了解两个细微差别。首先,额定电流在温度下不是恒定的:

这是前一篇文章中讨论的Wurth部分的降额曲线。从85°C开始的陡峭下降应该使其充分清楚地清楚地清楚,如果您的系统将受到高温,则需要非常仔细地选择铁氧体珠子。二,直流电流远低于额定的最大值可以降低珠子的性能,因为铁氧体材料变为“饱和”。铁氧体饱和度降低了珠子的峰值阻抗,使阻抗曲线向更高的频率移动,如图所示穆塔塔的以下情节

为了减少核心饱和的影响,确保珠级电流比预期最大电流高至少50%(优选100%)。

共鸣:减少,未被淘汰

在上一篇文章中,我们讨论了铁氧体珠子是如何有利的,因为它们消散了高频能量,因此不易易于共振问题。然而,铁氧体珠粒主要在广泛的频率上感应,并且它们通常与附近的电容器一起使用,因此我们不能简单地忘记共鸣。回想一下,LC电路将以以下频率产生谐振:

这告诉我们,随着电容的增加,谐振频率降低。因此,铁氧体珠靠近的较高量的电容增加了珠子将主要在谐振频率下感应的可能性。

Usually you don’t have to worry much about this resonance issue—most bypass capacitors are small (namely, 0.1 µF), parasitic resistances help to dampen any ringing that may occur, and often the circuit does not generate significant noise energy at the lower frequencies that fall within the ferrite bead’s band of reactive dominance. Nevertheless, if you are using ferrite beads in conjunction with relatively large (say, above 10 µF) bypass capacitors, you may want to run a quick simulation or probe some signals to see if you notice any ringing. If you do, try to find a ferrite bead that exhibits more resistive impedance in the problematic frequency band. Alternatively, if IR voltage drops are not a concern, you can reduce the Q-factor of the resonant circuit, and thereby suppress ringing, by inserting a small series resistor near the IC’s power pin:

“FBC”过滤器

我们现在准备讨论三种常见的方式,您的电路可以从战略选择的铁氧体珠中受益。已经在上面给出的两个电路图中呈现的第一方法可以与旁路电容器组合以形成基于珠子的相当于标准LC低通滤波器。这种“FBC”滤波器理论上接近珠子电感频带内LC滤波器的双极响应,然后在电阻阻抗开始主导反应阻抗的情况下,它转换到RC滤波器的单极响应。有一个优雅的优雅:滚截面在较低频率中较陡峭,其中谐振较小,并且通过珠子的电阻性抑制了高频振铃。

在这个时刻,我们应该指出一种良好的方法来破坏你的IC,即使用没有电源引脚和地之间的电容器的铁氧体珠子:

如本系列的第一篇文章中所讨论的,数字IC(以及较小程度的模拟IC)必须能够从电源导轨中汲取快速的电流。低ESR,与电源引脚相邻的低ESR,低ESL旁路电容提供该电流。现在回想一下,电感器(并通过延伸铁氧体珠)反对最新的变化。这意味着上述两个不正确配置中使用的铁氧体珠子阻断了IC所需的瞬态电流。因此,您需要一个位于铁氧体珠子的“下游”的电容器,使得瞬态电流可以直接从盖子中排出(即,不流过珠子)。

FBC低通滤波器对任何对电源线上的高频噪声特别敏感的IC可能有益。但是注意到其他内容:铁氧体珠也将在珠子的另一侧的任何电容上形成FBC过滤器,包括连接到同一电源轨上的其他IC的旁路电容。因此,铁氧体珠子有助于抑制进入IC的噪音,也有助于IC出来的噪声。这意味着铁氧体珠子对去耦在具有多个数字组件的PCB中,因为它们倾向于将每个IC隔离由所有其他IC产生的噪声。

混合信号功率

通常优选通过通过两个线性调节器产生单独的电源电压来向混合信号IC提供模拟和数字电力。但是,如果这种方法是不可行的,也许由于板空间限制,您可以使用铁氧体珠子提供一些噪音隔离,如下:

抑制源处的噪声

另一时间考虑铁氧体珠子是当您宁愿在电源上使用一个过滤器而不是连接到多个IC的各个滤波器时。这是一种有效的电路方法,其中噪声DC / DC转换器为多个模拟组件提供电力,这是敏感的噪音但通常不是产生大量的噪音。这种滤波器的标准配置是铁氧体珠,其两侧有电容器;理想情况下,DC / DC转换器的数据表将为组件值和其他详细信息提供指导。例如,线性技术推荐以下用于LTC1551,这是反相电荷泵调节器:

数据表声明,使用此简单滤波器,输出噪声可以低至1 mV峰到峰值。

尽管铁氧体珠子主要在电荷泵和开关调节器使用的相对低频的相对较低的频率下归纳,但电阻阻抗将有助于减少与更高频率谐波相关的振铃。

搭档

铁氧体珠子提供额外的滤波和隔离,可以在嘈杂的数字环境中具有有价值,或者必须保护高噪声敏感的模拟组件。只要有可能,选择一个主要在主要噪声频率上电阻的珠子,并记住检查珠子直流电阻和额定电流,以避免与电压降和核心饱和有关的问题。

5条点评
  • 一种
    ahruso. 2015年12月18日

    你在那里写的真的很好的文章。虽然有一件事,或者我可能会弄错,但在你的频率到村田的阻抗图,你说阻抗减少了最大额定电流低于最大的电流,但是图和原来的村屋文本显示相反

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  • 肯尼2. 2017年5月31日

    引用:“但是图和原来的村星文本显示相反?”
    显然这是一个'拼写'。常识将告诉您,当电源太高时,会发生饱和。在这种情况下,电流变得太高。该图显示了随着电流增加的阻抗的降低。显然,这句话是“最大额定电流的电流”。

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    • RK37. 2018年9月4日
      我刚注意到这些评论。抱歉耽搁了。我三年前写了这篇文章,所以我不完全记得所有细节。However, I'm pretty sure that the following statement was written according to my intended meaning: "Second, DC currents well below the rated maximum can degrade the bead’s performance because the ferrite material becomes 'saturated.'" I think I was trying to say that the effects of saturation are noticed even with currents that are significantly below the rated current. In other words, you can't assume that your impedance curve is unaffected simply because your current is below the rated maximum. To be safe, then, "your bead’s rated current [should be] at least 50% (preferably 100%) higher than your expected maximum current."
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