你需要知道的关于铁氧体磁珠的一切

凯拉诀窍

| 创建时间：2020 年 4 月 19 日 | 更新日期：2021 年 9 月 8 日

正如我之前关于PDS 设计的博客所述，整个电源难题是多年来一直困扰着许多错误的经验法则的难题。“黑魔法”设计规则和关于什么有效或无效的混乱。

最具争议的主题领域之一集中在使用铁氧体磁珠作为控制和抑制 EMI 的手段。关于铁氧体磁珠的使用存在相互矛盾的信息，很难确定哪些信息有效，哪些信息无效。真正的挑战是错误信息看起来是有效的，因为与之相关的大量数据。更令人困惑的是，在某些 IC 的应用笔记中，组件供应商会建议使用铁氧体磁珠作为消除 EMI 的一种手段。

为了帮助减轻这种混淆，本博客将讨论几个主题，包括：

• 铁氧体磁珠的起源是什么？

• 它们的使用历史如何？

• 为什么假定使用铁氧体磁珠构成有效的设计规则？

• 当铁氧体磁珠与IC 的电源线串联时，实际会发生什么？

• 当IC 供应商指定使用铁氧体磁珠时，您会怎么做？

作为此处讨论的结果，我们将展示将铁氧体磁珠与 IC 的电源引线串联使用不会消除或抑制 EMI，但实际上会降低 PDS 的性能。

铁氧体磁珠的起源

为了解决第一个混淆点，铁氧体磁珠不是磁珠。它们是小电感器。人们所说的珠子实际上是一个环形。（环形线圈是由绝缘或漆包线缠绕在由铁粉制成的环形形状上的线圈。它用作电子电路中的电感器，特别是在需要较大电感的低频下。它们一直被用作变压器铁芯）。为了保持一致性，铁氧体电感器将被称为在行业的其余部分 - 铁氧体磁珠。

铁氧体磁珠是表面贴装元件，与电阻器和电容器等其他元件非常相似。而且，它们的尺寸与这些其他组件相同。典型的铁氧体磁珠封装如图 1 所示。请注意，单词 bead 用引号括起来，因为这部分实际上不是磁珠。

图 1. 典型的铁氧体“磁珠”封装

在成分方面，铁氧体磁珠由通常称为铁氧体的亚铁磁材料制成。这种材料的行为类似于由线圈制成的电感器。该组件的吸引力在于它在小尺寸下具有相对较高的电感。通常，这些组件不是由它们具有的电感量来指定，而是由它们在特定频率下的阻抗来指定。如图 2 所示，铁氧体磁珠的阻抗是频率的函数，很像电感器，在低频时阻抗非常低，上升到高点然后下降。

图 2. 典型铁氧体磁珠阻抗与频率的关系

铁氧体磁珠的使用历史

在 PCB 设计中使用铁氧体磁珠的起源可以追溯到 1980 年代后期，当时定制 CMOS 器件最终切换得足够快，以至于它们在 EMI 频带中产生了频率。EMI 技术人员将铁氧体磁珠固定在设备的电源线中，然后 EMI 消失了，因为该部件无法再以足够快的速度切换以产生 EMI 频带中的频率。因此，铁氧体磁珠是一种创可贴。它起作用了，它阻止了部件发出噪音，但它也阻止了部件高速工作（即快速切换）。当第一次使用铁氧体磁珠时，就快速边缘而言，速度并不是必须的，因此铁氧体磁珠的使用就是这样开始的。

为了进一步说明这一点，当铁氧体磁珠与 IC 的电源引线串联放置时，就会创建一个如图 3 所示的电路。

图 3. 电源引线中带有铁氧体磁珠的 IC

对于大多数产品，辐射 EMI 涉及的频率范围为 30MHz 至 1GHZ。当 IC 试图从电源中获取高频功率时，铁氧体磁珠的阻抗会阻止它这样做。因此，IC 封装上没有导致 EMI 问题的高频。这是控制 EMI 的两种方法之一——消除源或消除天线。只要不期望 IC 或 ASIC 以快速边沿或快速时钟运行，这种技术就可以工作。在使用 130 纳米 IC 之前，大多数电路运行速度都很慢，以至于在高频下不需要非常低的阻抗源。这实际上是一个 PDS 不顾不良习惯而不是因为良好的工程实践而工作的案例。

铁氧体磁珠的真正作用是什么？

当您将铁氧体磁珠与 IC 的电源引线串联放置时，实际发生的情况是 PDS 的性能会下降，这可以从设备增加其输出阻抗中看出。重要的是要记住，电源应该是电压源，这意味着无论从中汲取多少电流，输出电压都保持不变。换句话说，为了正常工作，电源在所有频率下都应具有零或非常低的输出阻抗。如上所述，最终，IC 的速度增加到了插入铁氧体磁珠阻止它们正常工作的程度。原因是 PDS 输出阻抗太高。建议的解决方案是在电感器之后添加一个电容器，如图 4 所示。

图 4. 电源引线中带有铁氧体磁珠和电容器的 IC

这解决了操作问题，但又带来了 EMI 问题。然后，推荐用于实现该电路的方法是在 Vdd 平面上切割一个岛。这也不是一个有效的替代方案（请参阅本博客末尾的参考 1）。

请注意，在图 4 中，电容器被称为“旁路电容器”，并带有引号。引用的原因是要注意这个电容器没有绕过噪声，而是用作高频电荷源，以便 ASIC 可以再次快速切换。这些电容器的一个更好的名称是“库仑桶”，因为它们用作本地存储设备（有关库仑桶的更多信息，请参阅我之前的博客 POWER PLAY—成功设计电力输送系统，第 1 部分）。

为什么在应用说明中使用铁氧体磁珠？

应该注意的是，在高速 ASIC 中，电感器和电容器形成一个低通滤波器，防止高频噪声从系统的电源子系统侧进入组件。这就是大多数应用笔记中给出的将铁氧体磁珠与 PLL（锁相环）设备和其他“模拟”类型电路（包括高速串行器/解串器 (SERDES)）的电源引线串联的原因。

IC 供应商通常建议在其应用笔记中使用铁氧体磁珠，原因有两个。首先，应用笔记的作者会说，“我们一直都是这样做的，如果你不遵循我们的应用笔记，我们将无法保证电路能够正常工作。” 如果做出这样的声明，那么询问是否完全遵循应用说明是合理的，供应商是否保证电路可以工作。很多时候，答案是“不”。这当然不会让您在使用您选择的特定 IC 时感到很舒服。

供应商指定使用铁氧体磁珠的第二个原因是磁珠可以阻止电源子系统中的噪声进入敏感电路。在 Speeding Edge，我们已经在实际测试电路中看到了这样的例子。噪声确实被阻止了，但由于受保护电路的功率传输不佳，电路性能可能会降低。

图 5 显示了 3.125 GB/S 串行链路的输出波形，输出级电源引线中带有铁氧体磁珠。

图 5. 电源引线中带有铁氧体磁珠的 3.125 Gb/S Serdes 输出

图 6 是相同的输出，去掉了铁氧体磁珠，电源线直接连接到 Vdd。可以看出，插入铁氧体磁珠实际上使电路性能比没有铁氧体磁珠的情况更差。

图 6. 3.125 Gb/S Serdes 输出，铁氧体磁珠从电源引线上移除

图 5 的电路是零件供应商推荐的，没有先检查建议是否合理。显示的波形实际上取自供应商提供的评估板。就阻止来自电源子系统的噪声而言，这变成了治标不治本。问题是电源子系统中存在噪音，因为它的设计不正确。

IC 供应商要了解的关键是 IC 的供电需求。这包括电路可能对电力输送系统以及在什么频率下要求的最大 delta I，以及最大允许 delta V（纹波）。没有这些信息，就不可能设计出工作可靠的 PDS。

在阅读运算放大器等组件的规格时，其中一项规格是电源抑制比。这是对电源电压的电压变化对器件输出的影响程度的量度。可以对数字 IC 和 PLL 进行此类测量。IC 只是“逻辑”并且不需要这种级别的表征的想法是从 TTL 时代遗留下来的，当时对 Vcc 变化的容忍度如此之高以至于没有必要考虑它们。

实际上，IC 供应商需要能够就如何创建功能性电源系统向用户提供建议。每当建议在设备的电源引线中添加铁氧体磁珠时，必须向 IC 供应商提出四个问题：

有没有可以通过添加铁氧体磁珠来解决的问题？
铁氧体磁珠真的能解决问题吗？
我能否确定添加铁氧体磁珠不会产生新问题（如图 5 所示）？
使用铁氧体磁珠是解决问题的最佳方法吗？

我们的经验是，在回答完问题一和二后，铁氧体磁珠就从设计中去掉了。每当我们遇到推荐使用铁氧体磁珠的应用笔记时，我们都会致电 IC 供应商/作者并询问上述四个问题。在任何情况下，我们都没有发现回答这些问题会导致同意添加铁氧体磁珠是一个好主意。

如果在上述过程之后，供应商仍然坚持使用铁氧体磁珠，则必须坚持查看测试电路，其中组件的使用方式与新设计中的预期使用方式完全一致。如果不存在测试电路，最好怀疑。在一个例子中，当我们无法让微处理器正常工作时，我们要求查看用于获得应用说明的测试电路和部件的规格。我们被告知没有测试电路，而且从来没有。当我们问，“你如何确定零件是否正常工作？” 回应是，“我们将它们提供给我们的客户，他们会告诉我们它们是否有效！”

概括

在 Speeding Edge，我们的经验是，使用铁氧体磁珠是下意识反应、创可贴或坚持不良做法而不是做好工程的案例。正如 Speeding Edge 总裁 Lee Ritchey 所说，“在设计高速计算机系统和网络产品的 40 多年中，我从未在设备的电源引线中使用过铁氧体磁珠，无论是 PLL 还是模拟电路— 所有这些都符合其规格并通过了适当的 EMI 和 ESD 测试。相反，我已经确定了电路的‘纹波’要求是什么，并设计了电力输送系统来满足这些要求。”

参考：

Ritchey, Lee W. 和 Zasio, John J.，“第一次正确，高速 PCB 和系统设计实用手册，第 1 卷和第 2 卷。”