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如何使用電感&磁珠從后級應對開關電源噪聲

2023-09-08  來自: 西安秋實電子技術有限公司 瀏覽次數:773

僅僅使用電容器無法充分消除噪聲時,可以考慮使用電感或鐵氧體磁珠,甚至電感器與LC濾波器的結合使用。

電感與鐵氧體磁珠是用于電源去耦電路很常見的電感,鐵氧體磁珠用于控制頻率比較高和寬的頻率范圍,而扼流線圈主要用于控制特定頻率。雖然鐵氧體磁珠用于噪聲用得更多,但電感也用于噪聲控制。

1.電感的頻率特性

利用感來降低噪聲時,需要了解電感器的特性,圖8-1為電感器的阻抗-頻率特性圖,電感(線圈)具有以下基本特性,稱之為“電感的感性電抗”。

1:直流基本上直接流過。

2:具有交流阻抗。

3:頻率越高越難通過。

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在理想電感器中,阻抗隨著頻率的提高而呈線性增加,但在實際的電感器中,如等效電路所示,并聯存在寄生電容EPC,因而會產生自諧振現象。所以在諧振頻率之前呈現電感本來的感性特性(阻抗隨著頻率升高而增加),但諧振頻率之后寄生電容的影響占主導地位,呈現出容性特性(阻抗隨著頻率升高而減小),也就是說在比諧振頻率高的頻率范圍,不發揮作為電感的作用,電感的諧振頻率可通過以下公式求得:

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除了主體是電容量還是電感量的區別外,該公式與電容器的諧振頻率公式基本相同。從公式中可以看出,電感值L變小時諧振頻率會升高。電感的寄生分量中,除了寄生電容EPC之外,還有電感繞組的電阻分量ESR、與電容并聯存在的EPR(等效并聯電阻),電阻分量會限制諧振點的阻抗。

小結

1:電感在諧振頻率之前呈現感性特性(阻抗隨頻率升高而增加)。

2:電感在諧振頻率之后呈現容性特性(阻抗隨頻率升高而減小)。

3:在比諧振頻率高的頻段,電感不發揮作為電感的作用。

4:電感值L變小時,電感的諧振頻率會升高。

5:電感的諧振點阻抗受寄生電阻分量的限制。

2.使用電感降低噪聲

用于降噪的電感主要是繞線型的,雖然單獨的電感串進電源路徑中,依據電感的SRF之前的特性,可以阻擋一部分疊加在DC上的噪聲,但實際電感基本上用來構成型濾波器,如圖8-2左所示,型濾波器在低頻段通過電感和電容發揮低通濾波器的作用,然而到了高頻段,由于電感會表現為電容、電容會表現為電感,如圖8-2右從而使型濾波器起到高通濾波器的作用,因此無法獲得噪聲消除效果,這一點需要格外注意。

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當形成加入電源帶有電感器的去耦電路時,常規配置如圖8-3所示。圖8-3上是加入一個電感器的去耦電容器,圖8-3下通過加入一個電容器,組成更高性能的π形濾波器。由于電源接線中的許多電容器是同其他IC一起使用的,即使上圖幾乎可以作為一個π形濾波器,但是下圖的配置可以更明確地抑制噪聲。

一般來說,較大的電感具有較大的阻抗,會顯示出優良的噪聲抑制效果,而IC工作所必需的瞬間電流要由電感器和IC之間的電容器提供。根據

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L增大,這種電容器必需的電容C會變大,所以,不推薦使用過大的電感。(C為接地電容必要容值,ZT為IC必要的電源阻抗)

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3.磁珠和電感比較

關于磁珠的定位,有人將其視為電感的一個子類,有人則將其視為不同于電感的獨立器件,這里不討論對錯,通過與電感進行比較來了解鐵氧磁珠的基本特性。

阻抗-頻率特性

鐵氧體磁珠的頻率-阻抗特性與普通電感不同。

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圖中X為電抗(容抗+感抗),R為電阻分量,Z為阻抗=電抗+電阻,電感的阻抗-頻率曲線較為陡峭,Q值較高,高阻抗頻率覆蓋區域窄,不適用于獨立適用濾去普適的的電源噪聲(噪聲頻段寬泛)。

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如圖8-5所示,鐵氧體磁珠與普通電感相比,具有電阻分量R較大、Q值較低的特性,阻抗-頻率曲線較為平緩,利用該特性可消除廣譜噪聲。

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如圖8-6,普通電感可容許較大的直流疊加電流,只要在其范圍內,阻抗不怎么受直流電流的影響,諧振點也幾乎不變。相比之下,圖8-7鐵氧體磁珠對于直流電流容易飽和,飽和會導致電感值下降,諧振點向高頻段轉移,會導致濾波器特性變化,因此需要特別注意。

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感值-頻率特性

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如圖8-8和圖8-9所示,電感和磁珠的感值-頻率特性后段截然相反,電感是感值上升,而磁珠是感值下降,并且兩者變化速度較快,不過一般變化點的頻率非常高,無需考慮頻率變化帶來的影響。

4.使用磁珠降低噪聲

電感通過組成濾波器來消除噪聲,而鐵氧體磁珠的特性決定了通過將噪聲轉變為熱來消除噪聲。這是一個很大的不同點,不過鐵氧體磁珠在低頻段基本上也起到低通濾波器的作用。但是如前所述,在這個頻段對于直流電流容易飽和,電感值下降,并且諧振點向高頻段移動,因此很難消除目標頻段的噪聲。

如圖8-10中的曲線,電抗X(容抗+感抗)降低并存在與電阻分量R交叉的點,當超過這個被稱為“交越點”的頻段后,鐵氧體磁珠將起到電阻的作用,具有將噪聲轉變為熱的功能,這是與內置繞線型電感的濾波器之間的巨大差異。而在更高頻段,則與繞線型電感相同,發揮高通濾波器的作用。

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從圖8-11所示的磁珠動作變化就可以看到磁珠降噪的普適性。

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