調節濾波系統阻尼的方法

 

本節介紹幾種調節阻尼的方法，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

 

方法A 是在去耦電容路徑上添加一個串聯電阻，可抑制系統諧振，但會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小數值并聯電阻，這樣也會抑制系統諧振。但是，在高頻時濾波器的衰減特性會下降。下圖顯示了MPZ1608S101A 使用和不使用 10 Ω 并聯電阻的情況下阻抗與頻率的關系曲線。淺綠色虛線表示磁珠采用 10 Ω 并聯電阻的總阻抗。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 并聯電阻時的 3.8 MHz 交越頻率遠低于磁珠自身在 40.3 MHz 時的交越頻率。在低得多的頻率范圍內磁珠表現出阻性，可降低 Q 值，改善阻尼性能。

 

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

 

當筆者將文獻中描述的方法應用在 3.2 節的開關電源中，發現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 三種方式應用在 3.2 節開關電源中的效果

 

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

 

圖25 阻尼解耦網絡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電源能量。為此，作者補充了一種即滿足 RCL 并聯，也滿足串聯的阻尼調節方法。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 進一步給出了Rdamp,Cdamp,Cbyp三者間的關系，即

 

 

圖26 為解耦網絡提供阻尼的首選方法

 

由于實際電路中存在著諸多我們并不能夠精確測量的分布參數，所以上面的方法并不總是有效，對于多數工程師來講，并不太愿意去嘗試。這里筆者提出一個簡單粗暴的方法，即對于低頻開關頻率方面遇到的類似問題，可通過增加電感的方式濾除。感值應不小于 50uH，當然這個目標參數的設置并非一成不變。下圖為在磁珠基礎上增加一個電感，電感感值從 10uH 增加到 50uH 的結果，可以看到，當增加到 50uH 以后，所有諧波分量的噪聲幅值均比初始無濾波電路時要低。

 

 

圖27 在電路上增加電感來調節阻尼

 

因為占空比 50%為一個特殊情況，當把負載由初始的 10Ω 降低到 2Ω 時（模擬電路滿載情況），此時占空比大約為 64%。此時的偶次諧波充分體現出來，增加電感在滿載情況下依舊適用。而上面文獻中提及的方法依舊會遇到低頻超出初始值的情況。

 

圖28 電源負載增加后調節感值的效果依舊

 

圖29 采用文獻提及的三種方法在重載情況下測到的傳導噪聲

 

磁珠在直流偏置下的影響

 

為電源應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的頻率響應曲線數據手冊。然而，將鐵氧體磁珠用作電源濾波時，通過磁珠的負載電流始終不為零，并且隨著直流偏置電流從零開始增長，這些參數也會隨之迅速改變。隨著直流偏置電流的增加，磁芯材料開始飽和，導致鐵氧體磁珠電感大幅下降。電感飽和度根據組件磁芯所用的材料而有所不同。下圖顯示了兩個鐵氧體磁珠的典型直流偏置依賴情況。額定電流為 50%時，電感最多下降 90%。

 

圖30 （a）直流偏置對磁珠電感的影響以及相對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

 

如需高效過濾電源噪聲，則就設計原則來說，應在額定直流電流約 20%處使用鐵氧體磁珠。如這兩個示例所示，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工作點。

 

此外， 直流偏置電流的效果可通過頻率范圍內阻抗值的減少而觀察到，進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時的有效阻抗就會從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

 

【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計手冊.

 

【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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