調(diào)節(jié)濾波系統(tǒng)阻尼的方法

 

本節(jié)介紹幾種調(diào)節(jié)阻尼的方法，可用于降低諧振尖峰電平。JeffersonEco 在其文章中提出了三種方法 ：

 

圖22 不同阻尼方法的頻率響應(yīng)

 

方法A 是在去耦電容路徑上添加一個(gè)串聯(lián)電阻，可抑制系統(tǒng)諧振，但會(huì)降低高頻旁路有效性。方法B 是在鐵氧體磁珠兩端添加一個(gè)小數(shù)值并聯(lián)電阻，這樣也會(huì)抑制系統(tǒng)諧振。但是，在高頻時(shí)濾波器的衰減特性會(huì)下降。下圖顯示了MPZ1608S101A 使用和不使用 10 Ω 并聯(lián)電阻的情況下阻抗與頻率的關(guān)系曲線。淺綠色虛線表示磁珠采用 10 Ω 并聯(lián)電阻的總阻抗。磁珠阻抗和電阻組合大幅下降，并主要由 10 Ω 電阻決定。但是，采用 10 Ω 并聯(lián)電阻時(shí)的 3.8 MHz 交越頻率遠(yuǎn)低于磁珠自身在 40.3 MHz 時(shí)的交越頻率。在低得多的頻率范圍內(nèi)磁珠表現(xiàn)出阻性，可降低 Q 值，改善阻尼性能。

 

圖23 (a) MPZ1608S101A ZRX 曲線 (b) MPZ1608S101A ZRX 曲線

 

當(dāng)筆者將文獻(xiàn)中描述的方法應(yīng)用在 3.2 節(jié)的開(kāi)關(guān)電源中，發(fā)現(xiàn)前兩種方法并未能夠降低0.6MHz 的噪聲幅值，第三種方法可以有效降低所有高頻諧波噪聲。

 

 

圖24 三種方式應(yīng)用在 3.2 節(jié)開(kāi)關(guān)電源中的效果

 

相較于 Jefferson Eco ，Ken Kundert 在其文章中不僅詳細(xì)介紹了如何處理欠阻尼，并且給出了每種情況的計(jì)算方式。

 

圖25 阻尼解耦網(wǎng)絡(luò)的幾種方法以及臨界阻尼所需電阻的值

 

從上圖中作者給出的四種方法中，不難看出均存在一定的缺陷，一定程度上犧牲了濾波插損或者信號(hào)電源能量。為此，作者補(bǔ)充了一種即滿足 RCL 并聯(lián)，也滿足串聯(lián)的阻尼調(diào)節(jié)方法。如下圖所示，可以看出此方法與Jefferson Eco 描述的方法一模一樣，不同的是 Ken Kundert 進(jìn)一步給出了Rdamp,Cdamp,Cbyp三者間的關(guān)系，即

 

 

圖26 為解耦網(wǎng)絡(luò)提供阻尼的首選方法

 

由于實(shí)際電路中存在著諸多我們并不能夠精確測(cè)量的分布參數(shù)，所以上面的方法并不總是有效，對(duì)于多數(shù)工程師來(lái)講，并不太愿意去嘗試。這里筆者提出一個(gè)簡(jiǎn)單粗暴的方法，即對(duì)于低頻開(kāi)關(guān)頻率方面遇到的類似問(wèn)題，可通過(guò)增加電感的方式濾除。感值應(yīng)不小于 50uH，當(dāng)然這個(gè)目標(biāo)參數(shù)的設(shè)置并非一成不變。下圖為在磁珠基礎(chǔ)上增加一個(gè)電感，電感感值從 10uH 增加到 50uH 的結(jié)果，可以看到，當(dāng)增加到 50uH 以后，所有諧波分量的噪聲幅值均比初始無(wú)濾波電路時(shí)要低。

 

 

圖27 在電路上增加電感來(lái)調(diào)節(jié)阻尼

 

因?yàn)檎伎毡?50%為一個(gè)特殊情況，當(dāng)把負(fù)載由初始的 10Ω 降低到 2Ω 時(shí)（模擬電路滿載情況），此時(shí)占空比大約為 64%。此時(shí)的偶次諧波充分體現(xiàn)出來(lái)，增加電感在滿載情況下依舊適用。而上面文獻(xiàn)中提及的方法依舊會(huì)遇到低頻超出初始值的情況。

 

圖28 電源負(fù)載增加后調(diào)節(jié)感值的效果依舊

 

圖29 采用文獻(xiàn)提及的三種方法在重載情況下測(cè)到的傳導(dǎo)噪聲

 

磁珠在直流偏置下的影響

 

為電源應(yīng)用選擇正確的鐵氧體磁珠不僅需要考慮濾波器帶寬，還需考慮磁珠相對(duì)于直流偏置電流的阻抗特性。大部分情況下，制造商僅指定磁珠在 100 MHz 的阻抗并公布零直流偏置電流時(shí)的頻率響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)手冊(cè)。然而，將鐵氧體磁珠用作電源濾波時(shí)，通過(guò)磁珠的負(fù)載電流始終不為零，并且隨著直流偏置電流從零開(kāi)始增長(zhǎng)，這些參數(shù)也會(huì)隨之迅速改變。隨著直流偏置電流的增加，磁芯材料開(kāi)始飽和，導(dǎo)致鐵氧體磁珠電感大幅下降。電感飽和度根據(jù)組件磁芯所用的材料而有所不同。下圖顯示了兩個(gè)鐵氧體磁珠的典型直流偏置依賴情況。額定電流為 50%時(shí)，電感最多下降 90%。

 

圖30 （a）直流偏置對(duì)磁珠電感的影響以及相對(duì)于直流偏置電流的曲線（b）采用TDKMPZ1608S101A 磁珠（c）采用 Wurth Elektronik742 792 510 磁珠

 

如需高效過(guò)濾電源噪聲，則就設(shè)計(jì)原則來(lái)說(shuō)，應(yīng)在額定直流電流約 20%處使用鐵氧體磁珠。如這兩個(gè)示例所示，在額定電流 20%處，電感下降至約 30%（6 A 磁珠）以及約 15%（3 A 磁珠）。鐵氧體磁珠的電流額定值是器件在指定升溫情況下可承受的最大電流值，并非供濾波使用的真實(shí)工作點(diǎn)。

 

此外， 直流偏置電流的效果可通過(guò)頻率范圍內(nèi)阻抗值的減少而觀察到，進(jìn)而降低鐵氧體磁珠的有效性和消除 EMI 的能力。圖 30b 和圖30c 顯示了鐵氧體磁珠阻抗如何隨直流偏置電流的變化而改變。只需施加額定電流的 50%，100 MHz時(shí)的有效阻抗就會(huì)從100Ω大幅下降至10Ω（TDKMPZ1608S101A，100Ω，A，0603），以及從70Ω下降至15Ω（WürthElektronik742 792 510，70 Ω，6 A，1812）。

 

參考文獻(xiàn)

 

【1】 Jefferson Eco & Aldrick Limjoco-鐵氧體磁珠揭秘.

 

【2】 Arthur B. Williams-模擬濾波器與電路設(shè)計(jì)手冊(cè).

 

【3】Ken Kundert-Power Supply Noise Reduction.

 

【4】Murata-Application Manual for Power Supply Noise Suppression and Decoupling for Digital Ics.

 

 

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