如何使用电感&磁珠从后级应对开关电源噪声

2023-09-08  来自: 西安秋实电子技术有限公司 浏览次数:184

仅仅使用电容器无法充分消除噪声时,可以考虑使用电感或铁氧体磁珠,甚至电感器与LC滤波器的结合使用。

电感与铁氧体磁珠是用于电源去耦电路很常见的电感,铁氧体磁珠用于控制频率比较高和宽的频率范围,而扼流线圈主要用于控制特定频率。虽然铁氧体磁珠用于噪声用得更多,但电感也用于噪声控制。

1.电感的频率特性

利用感来降低噪声时,需要了解电感器的特性,图8-1为电感器的阻抗-频率特性图,电感(线圈)具有以下基本特性,称之为“电感的感性电抗”。

1:直流基本上直接流过。

2:具有交流阻抗。

3:频率越高越难通过。

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在理想电感器中,阻抗随着频率的提高而呈线性增加,但在实际的电感器中,如等效电路所示,并联存在寄生电容EPC,因而会产生自谐振现象。所以在谐振频率之前呈现电感本来的感性特性(阻抗随着频率升高而增加),但谐振频率之后寄生电容的影响占主导地位,呈现出容性特性(阻抗随着频率升高而减小),也就是说在比谐振频率高的频率范围,不发挥作为电感的作用,电感的谐振频率可通过以下公式求得:

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除了主体是电容量还是电感量的区别外,该公式与电容器的谐振频率公式基本相同。从公式中可以看出,电感值L变小时谐振频率会升高。电感的寄生分量中,除了寄生电容EPC之外,还有电感绕组的电阻分量ESR、与电容并联存在的EPR(等效并联电阻),电阻分量会限制谐振点的阻抗。

小结

1:电感在谐振频率之前呈现感性特性(阻抗随频率升高而增加)。

2:电感在谐振频率之后呈现容性特性(阻抗随频率升高而减小)。

3:在比谐振频率高的频段,电感不发挥作为电感的作用。

4:电感值L变小时,电感的谐振频率会升高。

5:电感的谐振点阻抗受寄生电阻分量的限制。

2.使用电感降低噪声

用于降噪的电感主要是绕线型的,虽然单独的电感串进电源路径中,依据电感的SRF之前的特性,可以阻挡一部分叠加在DC上的噪声,但实际电感基本上用来构成型滤波器,如图8-2左所示,型滤波器在低频段通过电感和电容发挥低通滤波器的作用,然而到了高频段,由于电感会表现为电容、电容会表现为电感,如图8-2右从而使型滤波器起到高通滤波器的作用,因此无法获得噪声消除效果,这一点需要格外注意。

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当形成加入电源带有电感器的去耦电路时,常规配置如图8-3所示。图8-3上是加入一个电感器的去耦电容器,图8-3下通过加入一个电容器,组成更高性能的π形滤波器。由于电源接线中的许多电容器是同其他IC一起使用的,即使上图几乎可以作为一个π形滤波器,但是下图的配置可以更明确地抑制噪声。

一般来说,较大的电感具有较大的阻抗,会显示出优良的噪声抑制效果,而IC工作所必需的瞬间电流要由电感器和IC之间的电容器提供。根据

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L增大,这种电容器必需的电容C会变大,所以,不推荐使用过大的电感。(C为接地电容必要容值,ZT为IC必要的电源阻抗)

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3.磁珠和电感比较

关于磁珠的定位,有人将其视为电感的一个子类,有人则将其视为不同于电感的独立器件,这里不讨论对错,通过与电感进行比较来了解铁氧磁珠的基本特性。

阻抗-频率特性

铁氧体磁珠的频率-阻抗特性与普通电感不同。

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图中X为电抗(容抗+感抗),R为电阻分量,Z为阻抗=电抗+电阻,电感的阻抗-频率曲线较为陡峭,Q值较高,高阻抗频率覆盖区域窄,不适用于独立适用滤去普适的的电源噪声(噪声频段宽泛)。

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如图8-5所示,铁氧体磁珠与普通电感相比,具有电阻分量R较大、Q值较低的特性,阻抗-频率曲线较为平缓,利用该特性可消除广谱噪声。

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如图8-6,普通电感可容许较大的直流叠加电流,只要在其范围内,阻抗不怎么受直流电流的影响,谐振点也几乎不变。相比之下,图8-7铁氧体磁珠对于直流电流容易饱和,饱和会导致电感值下降,谐振点向高频段转移,会导致滤波器特性变化,因此需要特别注意。

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感值-频率特性

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如图8-8和图8-9所示,电感和磁珠的感值-频率特性后段截然相反,电感是感值上升,而磁珠是感值下降,并且两者变化速度较快,不过一般变化点的频率非常高,无需考虑频率变化带来的影响。

4.使用磁珠降低噪声

电感通过组成滤波器来消除噪声,而铁氧体磁珠的特性决定了通过将噪声转变为热来消除噪声。这是一个很大的不同点,不过铁氧体磁珠在低频段基本上也起到低通滤波器的作用。但是如前所述,在这个频段对于直流电流容易饱和,电感值下降,并且谐振点向高频段移动,因此很难消除目标频段的噪声。

如图8-10中的曲线,电抗X(容抗+感抗)降低并存在与电阻分量R交叉的点,当超过这个被称为“交越点”的频段后,铁氧体磁珠将起到电阻的作用,具有将噪声转变为热的功能,这是与内置绕线型电感的滤波器之间的巨大差异。而在更高频段,则与绕线型电感相同,发挥高通滤波器的作用。

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从图8-11所示的磁珠动作变化就可以看到磁珠降噪的普适性。

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