过滤高频电源噪声，干净分享类似的电源电轨(即混合信号)IC同时，在共享供电轨之间保持高频一种有效的隔离方法是使用铁氧体磁珠。
铁氧体磁珠是一种可以在宽频范围内过滤高频噪声的无源装置。它具有目标频率范围具有电阻特性，以热量的形式消耗噪声能量。铁氧体磁珠和供应电轨串联，磁珠两侧经常与电容器接地。这就形成了一个进一步降低高频电源噪声的低通滤波器网络。
但是，如果铁氧体磁珠在系统设计中使用不当，就会产生不良影子响。有一些例子表明，磁珠和去耦电容器用于低通道滤波导致干扰谐振；直流偏置电流的依赖导致磁珠EMI抑制能力下降。在正确理解并充分考虑铁氧体磁珠的特性后，可以避免这些问题。
本文讨论了系统设计师在电源系统中使用铁氧体磁珠时的注意事项事项，比如直流偏置电流变化时的阻抗与频率特性，以及干扰LC谐振效应。为解决干扰谐振问题，介绍了阻尼技术，并较各种阻尼方法的有效性。
用于演示铁氧体磁珠作为输出滤波器的设备2 A/1.2 A DC-DC开关调节器具有独立的正负输出(ADP5071)。本文使用的铁氧体磁珠主要采用芯片类型表贴封装。
铁氧体磁珠简化模型和模拟
铁氧体磁珠可以建模成由电阻、电感和电容组成的简化电路，如图1a所示。RDC对应磁珠的直流电阻。CPAR、LBEAD和RAC分别表示与磁珠相关的寄生电容、磁珠电感和交流电阻(交流磁芯损失)。
图1. (a)简化电路模型(b)采用Tyco Electronics BMB2A1000LN2测量的ZRX曲线。
铁氧体磁珠可分为感性、阻性和容性三个响应区域。查看ZRX曲线可以确定这些区域(如图1所示)b)，其中Z表示阻抗、R表示电阻、X表示磁珠的电抗。磁珠子必须在阻力区域内，电磁干扰(EMI)应特别注意滤波应用这一点。该元件用作电阻，可以防止高频噪声和热量消耗散。磁珠交越频率出现在阻力区(X = R)之后，直到磁珠变成直到那一点容性。这个容性点的位置是容性电抗(–X)绝对值等于R的频率处。
在某些情况下，简化电路模型可用于近似计算铁氧体磁珠sub-GHz范围阻抗特性。
本文以Tyco Electronics BMB2A1000LN2以多层铁氧体磁珠为例。图1b在零直流偏置电流条件下使用阻抗分析仪显示BMB2A1000LN2 ZRX响应。
在测得的ZRX磁珠在曲线上表现出最大的感性特征（Z≈XL；LBEAD）磁珠的电感可根据以下公式计算：
其中:
f磁珠在区域内表现为感性的任何频率点。在这种情况下，f = 30.7 MHz。XL是30.7 MHz233Ω。
由公式1电感值(LBEAD)等于1.208μH。
磁珠表现出最大的容性特征（Z≈| XC|；CPAR）寄生在该地区根据以下公式计算电容：
其中:
f磁珠在区域内表现为容性的任何频率点。在这种情况下，f = 803 MHz |XC|是803 MHz当时的电抗值为118.1Ω。
由公式2寄生电容值(CPAR)等于1.678 pF。
根据制造商的数据手册，DC电阻(RDC)等于300 mΩ。交流电阻(RAC)当磁珠表现为纯阻性时，就是峰值阻抗。从Z中减去RDC即可得出RAC。与峰值阻抗相比，RDC很小，所以可以忽略。因此，本例中RAC等于1.082 kΩ。使用ADIsimPE电路模拟工具（由SIMetrix/SIMPLIS电源)产生阻抗与频率响应的关系。图2a显示电路仿真模型并提供计算值；图2b实际测量显示结果模拟结果。本例中，从电路仿真模型中获得的阻抗曲线严格匹配测量曲线。
图2. (a)电路模拟模型(b)实际测量结果和模拟测量结果。
铁氧体磁珠模型在噪声滤波电路的设计和分析中非常有帮助。例如，当低通滤波器网络与去耦电容器一起形成时，对电感进行检查近似计算有助于确定谐振频率的截止日期。然而，本文中的电在零直流偏置电流条件下，路模是近似的。此模型可能随直流偏在其他情况下，置电流的变化可能会发生变化模型。
考虑直流偏置电流的因素
选择正确的铁氧体磁珠作为电源应用，不仅要考虑滤波器的带宽，磁珠相对于直流偏置电流的阻抗特性也需要考虑。在大多数情况下，制造商仅指定磁珠在100 MHz的阻抗并公布零直流偏置电流时频率响应曲线数据手册。然而，铁氧体磁珠被用作电源滤波器当通过磁珠的负载电流始终不为零，直流偏置电流从零开始增长，这些参数也会随之迅速改变。
随着直流偏置电流的增加，磁芯材料开始饱和，导致铁氧体磁珠电感大幅下降。电感饱和度根据组件磁芯使用的材料而定不同。图3a显示了两个铁氧体磁珠的典型直流偏置依赖。当额定电流为50%时，电感最多下降90%。
图3. (a)与直流偏置电流相比，直流偏置对磁珠电感的影响的曲线(b)采用TDK MPZ1608S101A磁珠(c)采用Würth Elektronik 742 792 510磁珠。
在设计原则上，如果需要高效过滤电源噪声，则应在额定直流电源中进行铁氧体磁珠用于流量约20%的地方。如这两个示例所示，额定电流电感下降到20%左右(60%) A约15%(3) A磁珠）。铁氧体磁珠的电流额定值是指定加热条件下装置能承受的最大值大电流值不是滤波器使用的真正工作点。
此外，通过频率范围内阻抗值的降低，可以降低直流偏置电流的效果从而降低铁氧体磁珠的有效性，消除铁氧体磁珠EMI的能力。图3b和图3c随着直流偏置电流的变化，铁氧体磁珠的变化而变化改变。额定电流的50%的50%和100% MHz有效的阻抗会发生从100Ω大幅下降至10Ω（TDK MPZ1608S101A，100Ω，3 A，0603），以及从70Ω下降至15Ω（Würth Elektronik 742 792 510，70Ω，6 A，1812）。
系统设计人员必须充分了解直流偏置电流对磁珠的电感和有效阻力对高电源电流的应用可能非常重要。
LC谐振效应
当铁氧体磁珠与去耦电容器一起使用时，可能会产生谐振尖峰。经常被忽视的效应可能会损害性能，因为它可能会放大给定系统的纹波和噪声，而不是衰减它们。在许多情况下，这个尖峰发生了在DC-DC常用开关频率接近转换器。
低通滤波器网络(铁氧体磁珠电感和高通滤波器网络)Q去耦电容组成)当谐振频率低于磁珠交叉频率时，就会出现峰值。过滤结果为欠阻尼。图4a显示的是TDK MPZ1608S101A测量阻抗和频率关系曲线。阻性元件(与干扰能耗散有关)达到20左右 MHz到30 MHz范围以前影响不大。铁氧体磁珠低于此频率依然具有极高的Q它被用作理想的电感。典型的铁氧体磁珠滤波器的LC谐振频率一般为0.1 MHz到10 MHz范围内。对于300 kHz到5 MHz典型的开关频率需要更多的阻尼来降低过滤器波器Q值。
图4. (a) A TDK MPZ1608S11A ZRX曲线 (b) 铁氧体磁珠和电容 低通滤波器的S21 响应。
图4b 显示了此效应的一个示例；图中，磁珠的S21 频率响应和 电容低通滤波器显示了峰值效应。此例中使用的铁氧体磁珠是 TDK MPZ1608S101A（100 Ω，3 A，0603），使用的去耦电容 是Murata GRM188R71H103KA01 低ESR 陶瓷电容（10 nF，X7R， 0603）。负载电流为微安级别。
无阻尼铁氧体磁珠滤波器可能表现出从约10 dB 到约15 dB的尖 峰，具体取决于滤波器电路Q 值。图4b 中，尖峰出现在2.5 MHz 左右，增益高达10 dB。
此外，信号增益在1 MHz 到3.5 MHz 范围内可见。如果该尖峰 出现在开关稳压器的工作频段内，那么可能会有问题。它会放 大干扰开关伪像，严重影响敏感负载的性能，比如锁相环 (PLL)、 压控振荡器 (VCO) 和高分辨率模数转换器 (ADC)。图4b 中显示 的结果为采用极轻负载（微安级别），但对于只需要数微安到1 mA 负载电流的电路部分或者在某些工作模式下关闭以节省功 耗的部分而言，这是一个实用的应用。这个潜在的尖峰在系统 中产生了额外的噪声，可能会导致不良串扰。
例如，图5 显示了一个ADP5071 应用电路，该电路采用了磁珠滤 波器；图6 显示了正输出端的频谱曲线。开关频率设为2.4 MHz， 输入电压设为9 V，输出电压设为16 V，负载电流设为5 mA。
图5. ADP5071 应用电路（带磁珠和电容低通滤波器，部署在正 输出端）
图6. ADP5071 频谱输出（5 mA 负载）。
由于磁珠的电感和10 nF 陶瓷电容，谐振尖峰出现在约2.5 MHz 处。出现了10 dB 增益，而非衰减2.4 MHz 处的基频纹波频率。
影响谐振尖峰的其他因素是铁氧体磁珠滤波器的串联阻抗和负 载阻抗。在较电源内阻下，尖峰大幅下降，并被阻尼所减弱。 然而，采用这种方法会导致负载调节下降，从而失去实用性。 由于串联电阻下降，输出电压随负载电流而下降。负载阻抗还 会影响峰值响应。轻载条件下的尖峰更严重。
阻尼方法
本节介绍三种阻尼方法，系统工程师可用来大幅降低谐振尖峰 电平（见图7）。
图7. 不同阻尼方法的实际频率响应。
方法A 是在去耦电容路径上添加一个串联电阻，可抑制系统谐 振，但会降低高频旁路有效性。方法B 是在铁氧体磁珠两端添 加一个小数值并联电阻，这样也会抑制系统谐振。但是，在高 频时滤波器的衰减特性会下降。图8 显示了MPZ1608S101A 使 用和不使用10 Ω 并联电阻的情况下阻抗与频率的关系曲线。浅 绿色虚线表示磁珠采用10 Ω 并联电阻的总阻抗。磁珠阻抗和电 阻组合大幅下降，并主要由10 Ω 电阻决定。但是，采用10 Ω 并联电阻时的3.8 MHz 交越频率远低于磁珠自身在40.3 MHz 时 的交越频率。在低得多的频率范围内磁珠表现出阻性，可降低Q 值，改善阻尼性能。
图8. (a) MPZ1608S101A ZRX曲线 (b) MPZ1608S101A ZRX曲线，缩放视图。
方法C 是添加大电容 (CDAMP) 与串联阻尼电阻 (RDAMP) 的组合，通常这种方法最佳。
添加电容和电阻可抑制系统谐振，同时不会降低高频时的旁路 有效性。采用此种方法可以避免大隔直电容导致电阻功耗过大。 该电容必须远大于所有去耦电容之和，这降低了所需的阻尼电 阻值。在谐振频率处，电容阻抗必须远小于阻尼电阻，以便减 少尖峰。
图9 显示了ADP5071 正输出频谱曲线，其应用电路采用阻尼方 法C，如图5 所示。CDAMP 和RDAMP 分别是1 μF 陶瓷电容和2 Ω SMD 电阻。2.4 MHz 时的基频纹波降低5 dB 增益，而非图9 中 显示的10 dB 增益。
图9. 采用阻尼方法C时的ADP5071频谱输出以及磁珠和电容低通滤波器。
一般而言，方法C 最为优雅，通过添加一个电阻和陶瓷电容的 串联组合实现，无需购买昂贵的专用阻尼电容。比较可靠的设 计始终包含电阻，可在原型制作时方便调试，如果不需要还可 移除。唯一缺点是额外的元件成本和更多的电路板占位空间。
结论
本文讨论了使用铁氧体磁珠时必须考虑的关键因素。本文还详细介绍了一个简单的电路模型，表示磁珠。仿真结果在零直流偏置电流处表现出良好的实际测量阻抗与频率响应的相关性。
本文还讨论了直流偏置电流对铁氧体磁珠特性的影响。结果表 明超过额定电流20%的直流偏置电流可能会导致磁珠电感的大 幅下降。这样的电流还会降低磁珠的有效阻抗，削弱EMI 滤波 能力。在供电轨上以直流偏置电流方式使用铁氧体磁珠时，应 确保电流不会导致铁氧体材料饱和以及产生电感的大幅变化。
由于铁氧体磁珠是感性的，将其与高Q 值去耦电容一同使用时 应当非常谨慎。如果不谨慎，会在电路中产生干扰谐振，弊大 于利。本文中提出的阻尼方法在负载上采用大去耦电容与阻尼 电阻的串联组合，从而避免了干扰谐振。正确使用铁氧体磁珠 可以高效而廉价地降低高频噪声和开关瞬变。