磁珠使用不當(dāng)可能會使電源紋波變大

edadoc

作者：黃剛（一博科技自媒體高速先生原創(chuàng)文）
( w6 I6 d4 i9 l, J' X; d0 `5 [4 |
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…
& Y! x0 O1 N+ j- n. P
+ ]7 s4 n# L+ g; _2 N, A7 b
' D: j0 N2 k) S% C" q/ f
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散到后級，從而把紋波局限在某個范圍，不會擴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。
+ @. `% S- h* D9 k
8 k/ Q( K  S7 G
2 f2 l+ U  S" s, F; B: e
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。

9 g4 p( |: A! `" q- l
, n) `0 T% ?" s! {7 O3 Z% G
+ Q9 m; }) X: b- o0 B# u/ q+ e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，峰峰值達到160mV。

7 F  V7 T' c# v+ k
, p6 u) F  D/ o' L6 p0 h( K( x
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。


/ p9 }2 I$ D5 w# t4 i' I
0 m  z; h1 T, V2 j  a2 C$ Q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。
% L. v% h+ h: M: v


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，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。


; y% w5 R+ T, u/ A6 u
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，獲得更多的知識點哈。

4 o. F) Q" ?. {/ chttps://www.bilibili.com/video/BV1p54y1U7Cc

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：
) r4 s' z! b" w. q2 @+ H' X& E


+ Z$ I% w3 E, ]9 i. S0 }# h那么大家能猜想到接收端的電源會產(chǎn)生多大的紋波嗎？



: u& J% b$ p! p; U1 y- |$ X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�。�！

8 ~5 w8 F9 B6 c
, ^2 K2 }  X% f0 l2 H' j' C7 e6 k
是的，就是這個效果。


1 c  t! z: J; O0 A$ c( m0 S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。

5 u; o: ]5 G# p+ W3 K. C, p1 @( q  M
2 I/ n7 P' C+ m% E8 f/ D4 \& V
+ K0 o/ O. K% p. N* {% ^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，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。



# W& o9 o! I1 O# Z& Q( d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。



* q" J1 m* J- k5 U9 ?* u7 }  C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。
9 \/ D/ E1 ^, A: K& z7 l6 o

5 R( ?) z, w$ ^- h. b6 M5 I) N* _


, C2 K9 M$ J" l" l
0 K. g4 k7 F$ r; X# l. J


+ Q( m3 H! w3 q- ]
+ _$ P6 a2 H0 w* J. T0 _$ z
: T5 h! X& O7 a6 L  b% I6 P

' Y( B# E# T' `/ L2 r

& f' q8 M& |) Y$ F

# w+ _( F+ e$ @
2 I6 x/ s* L* x8 Y
  m: z! {7 }' _  I& k/ m& w. ^" I; j



% w: F5 Q1 o( P; F% A8 ^
6 u) e5 @3 c( n# k5 X$ u7 w

4 i& G" l. Q# S6 @- T
3 I; Q6 t& N% B
0 s. n2 ?% n7 a+ \


3 L& O5 ]2 x3 K