加磁珠使電源紋波會變大嗎

作者：黃剛

PCB設(shè)計會存在各種大大小小的誤區(qū)，有的誤區(qū)很容易用簡單的理論進(jìn)行解釋，有的卻顯得神秘而難懂。高速先生最近和粉絲們的互動中驚訝的發(fā)現(xiàn)，磁珠對電源紋波可能會存在反面影響這個誤區(qū)原來一直都是謎一樣的存在…

高速先生曾經(jīng)問過很多硬件的朋友們，為什么在轉(zhuǎn)換電源時要加磁珠，基本上我們得到的答案都是兩個字：隔離！的確，從硬件原理來說，磁珠放在電源轉(zhuǎn)換的前后級，的確能限制快速切換的電流帶來的紋波從前級擴(kuò)散到后級，從而把紋波局限在某個范圍，不會擴(kuò)散到該電源的全部區(qū)域，然而真正實踐起來的時候，結(jié)果可能會讓你大跌眼鏡。

這個高速先生接觸過的一個有意思的案例，客戶找到我們來做debug。既然是做debug，顧名思義就是板子的調(diào)試出了問題，然后想讓高速先生幫忙找到原因咯。

客戶的PCIE信號總會偶爾存在通信失敗的問題，客戶定位到是PCIE電源的紋波過大的原因造成的。客戶也提供了他們對電源的測試波形，如下所示，峰峰值達(dá)到160mV。

然后我們打開客戶的原理圖和PCB設(shè)計，發(fā)現(xiàn)是一個從1．8V主電源通過磁珠轉(zhuǎn)換得到的PCIE電源。1．8V是通過DC－DC電源芯片從高電壓轉(zhuǎn)換而來的，我們看到前段的濾波設(shè)計是做得不錯的，在電源輸出端放上了大電容（uF級），符合我們常規(guī)的設(shè)計。

那么問題到底出在哪里呢？為什么轉(zhuǎn)換后的電源紋波會變得那么大？我們把測試到的紋波轉(zhuǎn)換到頻域來看，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)紋波的頻率分量都在450kHz，這個數(shù)值讓高速先生想起了DC－DC電源的開關(guān)頻率也在這個范圍。果然，一查下該電源芯片的datasheet，發(fā)現(xiàn)和電源芯片的開關(guān)頻率是很接近的，因此高速先生懷疑是開關(guān)噪聲通過鏈路帶給了這個轉(zhuǎn)換后的電源。然后我們對該電源鏈路進(jìn)行一個頻域的仿真，從仿真結(jié)果可以看到，經(jīng)過該磁珠之后，該電源在450kHz附近出現(xiàn)了明顯的反諧振點(diǎn)。

從頻域仿真的結(jié)果表明，使用該磁珠和后面的電容配合進(jìn)行濾波和隔離后，由于本身磁珠和電容的效應(yīng)，的確是能濾掉高頻的紋波分量，但是卻會在kHz的頻段出現(xiàn)反諧振點(diǎn)，如果剛好電源的開關(guān)頻率產(chǎn)生了這個頻段的噪聲，實際上噪聲會一直傳遞到電源的接收端，不能被濾掉之類，還會把噪聲的幅度提高。

關(guān)于電源濾波這個原理，在文章這里就不展開了，大家可以去觀看高速先生隊長親自拍攝的視頻，獲得更多的知識點(diǎn)哈。

那我們繼續(xù)往下講哈，大家都知道高速先生的風(fēng)格，喜歡把一個案例講到極致。還是那句話，很多硬件工程師都不太喜歡用頻域去看問題，那我們更形象的對該紋波進(jìn)行時域的仿真。我們假定在電源芯片的輸出端產(chǎn)生了450kHz的噪聲，峰峰值50mV，如下所示：

那么大家能猜想到接收端的電源會產(chǎn)生多大的紋波嗎？

會比噪聲小一丟丟？會基本上濾掉？還是。。。對！不僅不會濾掉，還會增大?。?！

是的，就是這個效果。

那么可能還有很多朋友還會問兩個問題，一是為什么會這樣呢？二是要如何解決呢？要是講到這里就停下，我猜很多粉絲會有意見，那么高速先生就繼續(xù)往下講哈。

原因的話，我們知道，磁珠其實和電感是類似的，在高頻時表現(xiàn)為高阻抗的物體，因此電感和電容會在某個頻點(diǎn)發(fā)生反諧振，這是跟電容和電感的具體容值感值是有關(guān)系的，本文的例子中，我們在磁珠后面添加的是比較小的電容，因此配合到這一款磁珠的屬性，剛好會在幾百kHz處產(chǎn)生了諧振點(diǎn)，更不巧的是，剛好電源的開關(guān)噪聲在這個頻段，因此就產(chǎn)生了本文的這個案例了。

最后再說一下本案例的解決方法哈，我們知道了產(chǎn)生的原因之后，就把其中一個電容換成更大的10uF的電容。

從仿真結(jié)果來看就能有很明顯的優(yōu)化，完全消除了這個反諧振點(diǎn)。

當(dāng)然也成功幫助客戶解決了問題，PCIE的通信就不再出問題了，這時候再讓客戶測試下噪聲的話，也變得比較小了。

審核編輯：符乾江