磁珠使用不当可能会使电源纹波变大

edadoc

作者：黄刚（一博科技自媒体高速先生原创文）

PCB设计会存在各种大大小小的误区，有的误区很容易用简单的理论进行解释，有的却显得神秘而难懂。高速先生最近和粉丝们的互动中惊讶的发现，磁珠对电源纹波可能会存在反面影响这个误区原来一直都是谜一样的存在…


- Y1 Y1 [. I8 p, c
' S$ T& l8 z  d6 V高速先生曾经问过很多硬件的朋友们，为什么在转换电源时要加磁珠，基本上我们得到的答案都是两个字：隔离！的确，从硬件原理来说，磁珠放在电源转换的前后级，的确能限制快速切换的电流带来的纹波从前级扩散到后级，从而把纹波局限在某个范围，不会扩散到该电源的全部区域，然而真正实践起来的时候，结果可能会让你大跌眼镜。



这个高速先生接触过的一个有意思的案例，客户找到我们来做debug。既然是做debug，顾名思义就是板子的调试出了问题，然后想让高速先生帮忙找到原因咯。
* f* J7 c+ G! y) W! ~2 I; P

1 M6 N5 d, n$ n* B( n" I# H
1 D# `8 C7 P* R客户的PCIE信号总会偶尔存在通信失败的问题，客户定位到是PCIE电源的纹波过大的原因造成的。客户也提供了他们对电源的测试波形，如下所示，峰峰值达到160mV。
% J/ q$ k/ @; i0 [2 {* C  O


然后我们打开客户的原理图和PCB设计，发现是一个从1.8V主电源通过磁珠转换得到的PCIE电源。1.8V是通过DC-DC电源芯片从高电压转换而来的，我们看到前段的滤波设计是做得不错的，在电源输出端放上了大电容（uF级），符合我们常规的设计。
& S' G8 U4 U7 f, L7 R# |7 `( t7 H* _
# |6 t' l# S8 x# _1 }

3 J- S! R3 i5 E8 h, k" B那么问题到底出在哪里呢？为什么转换后的电源纹波会变得那么大？我们把测试到的纹波转换到频域来看，发现大多数纹波的频率分量都在450kHz，这个数值让高速先生想起了DC-DC电源的开关频率也在这个范围。果然，一查下该电源芯片的datasheet，发现和电源芯片的开关频率是很接近的，因此高速先生怀疑是开关噪声通过链路带给了这个转换后的电源。然后我们对该电源链路进行一个频域的仿真，从仿真结果可以看到，经过该磁珠之后，该电源在450kHz附近出现了明显的反谐振点。


1 |- q) \+ R, j
, l$ m& |! g- t8 W4 I8 \从频域仿真的结果表明，使用该磁珠和后面的电容配合进行滤波和隔离后，由于本身磁珠和电容的效应，的确是能滤掉高频的纹波分量，但是却会在kHz的频段出现反谐振点，如果刚好电源的开关频率产生了这个频段的噪声，实际上噪声会一直传递到电源的接收端，不能被滤掉之类，还会把噪声的幅度提高。

4 e1 ?$ u$ Q- @' E6 }

: x1 \& l1 Z$ r) s9 B! f关于电源滤波这个原理，在文章这里就不展开了，大家可以去观看高速先生队长亲自拍摄的视频，获得更多的知识点哈。
! d$ e& ~! H* r$ @
https://www.bilibili.com/video/BV1p54y1U7Cc

1 r( A5 z2 E5 ]) c. r那我们继续往下讲哈，大家都知道高速先生的风格，喜欢把一个案例讲到极致。还是那句话，很多硬件工程师都不太喜欢用频域去看问题，那我们更形象的对该纹波进行时域的仿真。我们假定在电源芯片的输出端产生了450kHz的噪声，峰峰值50mV，如下所示：
5 _. @& o  j9 {1 f& x" ]' ?+ l2 t


' V' ^6 N8 O- W: Y; I6 b那么大家能猜想到接收端的电源会产生多大的纹波吗？
. f. s9 q! J) z5 v; c
/ h8 |& M- ~0 N' D
8 `" j5 h( Z3 L: g7 N
会比噪声小一丢丢？会基本上滤掉？还是。。。对！不仅不会滤掉，还会增大！！！
0 l" G% |/ N1 I


0 r( \( P3 S$ z是的，就是这个效果。

5 Z$ U; }6 u6 ?
# o& L" f7 I9 @( Y那么可能还有很多朋友还会问两个问题，一是为什么会这样呢？二是要如何解决呢？要是讲到这里就停下，我猜很多粉丝会有意见，那么高速先生就继续往下讲哈。



原因的话，我们知道，磁珠其实和电感是类似的，在高频时表现为高阻抗的物体，因此电感和电容会在某个频点发生反谐振，这是跟电容和电感的具体容值感值是有关系的，本文的例子中，我们在磁珠后面添加的是比较小的电容，因此配合到这一款磁珠的属性，刚好会在几百kHz处产生了谐振点，更不巧的是，刚好电源的开关噪声在这个频段，因此就产生了本文的这个案例了。



最后再说一下本案例的解决方法哈，我们知道了产生的原因之后，就把其中一个电容换成更大的10uF的电容。
# R0 B2 ^( r: o  V) R' c; x7 z


# S; N1 f8 v; K# ~$ x8 v- u从仿真结果来看就能有很明显的优化，完全消除了这个反谐振点。

. Q2 j+ ]9 H2 B# D4 d2 x0 r; d1 f

4 O6 u5 a. f$ B9 L- r当然也成功帮助客户解决了问题，PCIE的通信就不再出问题了，这时候再让客户测试下噪声的话，也变得比较小了。
2 K# |' \' ?; u- n! e( P1 }. [


: }; k$ a: }# k% Z% f

- K( M4 O8 y" e7 T- K5 z8 Y: q


4 b! s9 w4 }5 V
' Y. z# G# N( @9 l
6 S2 H# R/ Z  Q( h


2 t2 K5 u, f3 t4 V
$ W% D& K. A1 ]- [  {




! a" ^; v, L& }& I1 O. |6 ~

% f1 \3 E9 F7 S! U, m& z
" {) D7 d/ A/ c6 H/ z

* c3 S0 J/ T( S! L' W


# B. ?( @5 j9 k) F9 U/ g. W


( T. J; w' b0 l