耐冲击电流的叠层电源滤波磁珠WE-MPSB
电源往往是针对稳态运行工况设计的，暂态条件则主要是事后来考虑的。在实际中，如启动、关机和瞬态负载等暂态条件下运行电源时的元器件上往往承受着比其在稳定状态下更大的应力。为了抑制高频噪声，片式铁氧体磁珠被放置在电源的输入端和输出端。
Power supplies are often designed for steady state operation, with transient conditions mainly considered as an afterthought. In practice, transient conditions such as startup, shutdown, and load transients are often far more stressful on the components of the power supply than operation in steady state. To suppress high frequency noise, chip bead ferrites are mainly placed at the input and output of power supplies.
作者：Würth Elektronik eiSos公司Ranjith Bramanpalli
有些瞬变需要仔细观察，但时常被忽视。这里有两个很好的例子：当电源第一次启动或当PWM用于如调光LED驱动器等可变负载时，会产生浪涌电流。片式铁氧体磁珠经常被放置在电源的输入端和输出端，它们必须能承受很大的瞬态电流，这将带来对紧凑、有成本优势且非常可靠的元器件的需求。这种铁氧体磁珠放置在输入端和输出端的原因是因为它们对滤除开关稳压器中的高频噪声非常有效。高频噪声源于寄生电感和电容中的快速开关电流。这种噪声往往发生在50 MHz到500 MHz的频率段，被称为振铃、尖峰或周期和随机噪声（PARD噪声）。图1给出了在原点、开关节点处的PARD，并描述了PARD噪声如何出现在开关的输入端和输出端。
图1：没有片式铁氧体磁珠的PARD噪声开始于降压变换器的开关节点（蓝色），及被干扰的输入电压（黄色）和输出电压（绿色）。
放大和测量图1中的PARD噪声得出其频率为170 MHz。如果噪声泄漏到输入和输出线路上，如图11所示的传导性噪声波形会产生辐射噪声。
总的来说，片式铁氧体磁珠应始终尽量靠近作为噪声来源的变换器放置。然而，防止PARD噪声进入开关电源输入及输出的一种有效方法就是把片式铁氧体磁珠串联在输入侧与输出侧。这些器件应该放在尽量靠近PCB和/或连接器的边缘，且铁氧体应与每个连接器的正与负串联在一起。
同样，在一般情况下铁氧体应尽可能靠近噪声源放置，因为耦合噪声会进入没有采取滤波措施的走线和电缆。但要知道，高频率噪声可能通过至GND和接地平面的寄生电容耦合在铁氧体周围。大多数EMC标准开始将辐射EMI限制在30 MHz，因此防止输入侧及输出侧引线中不必要的天线效应是非常重要的。当存在接地平面或屏蔽罩时，耦合噪声可能在位于PCB内部的铁氧体周围出现，如图2所示。
图2：PARD噪声经接地平面和地到输入及输出连接器的电容耦合传播至片式铁氧体磁珠L1-L4。
Würth Elektronik eiSos最近开发了一系列片式铁氧体磁珠，它们具有很高的平均/RMS电流额定值及低DC电阻，并已进行了相关大电流脉冲测试。作为峰值电流验证的产品系列，WE-MPSB多层功率抑制磁珠特别适合用在短时电流会远远超过平均电流的场合。
导通时浪涌电流
当电源导通时，所有连接到输入母线的电容器会开始充电。输入电源在很少情况下会以一个平滑、行为单调的斜率软启动，在大多数情况下，输入电压上升很快。例如，如果图3中的12 VDC电源母线在机械开关连接到降压变换器时已经启动和运行，其斜率坡度仅受限于电源电阻、引线/PCB走线/开关的电阻和寄生电感。根据应用手册，可测得30cm香蕉型连接电缆的电阻和电感分别为8 mΩ和0.3 μH。实验中所有电压源都是限流的，但如果12 VDC母线上存在大量的输入电容时，实际上在应用手册所采用的DC电源在机械开关闭合时充电电流会很容易超过30 A，如图4所示。
图3：体现电源电阻，输入导线电阻/电感及所有输入电容的测试降压变换器原理图。
图4：给20μF陶瓷和180μF高分子铝输入电容瞬时充电时12 VDC母线浪涌电流为33 A。
如图4所示，实验室电源可以承载的输入最高允许33A的电流，但在100us后需要稳定在5A,然后需要200 μs额外的充电时间才能使输入电容的电压达到12 V目标值。将这个波形与输入源的稳态电流进行比较：
（η是按转换效率95%来衡量）
电路设计师所需要做的妥协很明显：任何输入滤波元器件都必须能承受变换器导通时的大电流脉冲，而采用额定电流为全脉冲电流的铁氧体设计会导致稳态下超裕量。
导通时涌出电流
下一个铁氧体会被放置在输出端。变换器中有2个330 μF、ESR为20 mΩ的输出铝电容以及2个100 μF、ESR约为3 mΩ的多层陶瓷电容，这个电容组能够在短时间内提供大电流脉冲。同样采用30 cm的电缆用来连接5.0 V输出侧与负载侧，可以得到最大8 A的输出电流。图5表明当这个8 A的负载以快速上升时间连接时，其瞬态电流接近25 A。
图5：5 VDC母线瞬间连接至有200 μF陶瓷电容和660 μF输出铝电容的8 A负载时的涌出电流。
使用WE-MPSB多层功率抑制磁珠的稳态电流额定值问题
设计WE-MPSB系列产品的初衷是使其能够提供与标准的WE-CBF系列片式铁氧体磁珠相近的阻抗。WE-CBF系列产品与其他制造商的几乎所有片式铁氧体磁珠类似，可提供RMS电流额定值，而没有定义峰值或脉冲电流额定值。在这个案例中，为了处理33 A脉冲电流需要用稳态规格多层WE-CBF系列产品，而由于该系列产品中1806或1812尺寸的最高额定RMS电流为6 A。这样WE-CBF系列产品只有1206尺寸的额定4 A、100 MHz额定80 Ω的742 792 150能够处理这么大的稳态电流，但反复瞬时启动会导致故障发生，具体如图6所示。
图6：因过流、过热导致片式铁氧体磁珠熔化和烧坏。
如上所述，正输入端与负输入端各自放置6个这样的器件是不现实的，原因有以下3个：（1）片式铁氧体磁珠可以与连续电流并联，而其正温度系数将确保它们可以均流，然而这种均流既无法测试，也不能保证短时间脉冲电流。（2）放置几个与由电阻和电感主导的并联阻抗元件会导致电感、电阻和阻抗下降，使它们过滤目标噪声的效果不佳。（3）6个元器件意味着更高成本和需要更大PCB空间。
图7：输入脉冲长度、峰值电流和脉冲数量。
选择合适的WE-MPSB产品
在峰值电流超过平均电流的比例从3:1到近10:1的区间是WE-MPSB的典型使用范围。选择片式铁氧体磁珠的第一步是查找所有可以处理3.7 A RMS电流的器件。
输入侧铁氧体的峰值电流验证
我们预计在这个应用中WE-MPSB磁珠寿命期内有10000个开关周期，所以10000个33 A的脉冲对作为输入滤波器的WE-MPSB产生的应力应该不会使其出现故障。第一步也是最适宜的方式是将这些数据输入到REDEXPERT脉冲设计工具中。为了便于比较，我们将留下来的9个器件全部入库。
图8：通过REDEXPERT确定最合适的WE-MPSB产品为742 792 245 51。
有效电阻验证
我们在9个留下的WE-MPSB中挑选出噪声频率下有着最高电阻（不是总阻抗）的那一个。一般情况下，片式铁氧体磁珠在其总阻抗最高的频率下具有最高阻抗，而对其他频率仅有少许阻抗。找到最佳器件的最快方法是使用Würth Elektronik的REDEXPERT（www.weonline.com/redexpert）。注册用户可以将滑块放置在170 MHz处（见图8），并直接读取网格中每个器件的电阻值，并通过降序排列的方式来获得阻抗最高的器件。考虑到上述所有参数，红色高亮显示表明WE-MPSB 742 792 245 51或许是最佳应用器件，其额定电流为4.0 A，可以承受约18700个33 A、8 ms的脉冲。需要注意的是，8 ms远长于500 μs的初始脉冲和100 μs的短峰，给了它足够的安全裕量。在所有合适的元件中，它在170 MHz具有最高的电阻。
输出端脉冲稳定铁氧体
输出RMS电流与8.0 A的平均输出电流相同。遵循相同的准则，有5个候选器件的额定值大于8 A，这5个器件都可以处理超过10000个脉冲，并有超过8 A的RMS额定电流，所以最终需要通过实际的EMC测试来确定哪些器件可以最大程度过滤噪声。较小的器件价格便宜，但噪声过滤效果也会相对较差。
选定元件的测试
作为最终测试，我们在输入端加上了前面所选的WE-MPSB 742 792 245 51，并在输出端加上了WE-MPSB 742 792 251 01。测试结果如图9所示，可以看到输出电压（绿色）已经稳定了。辐射EMI扫描结果也证实这款片式铁氧体磁珠有效抑制了PARD噪声，特别是在170 MHz PARD范围内EMI显著改善。
图9：片式铁氧体磁珠的实验室测试结果。
进一步考虑RDC对整体效率影响
前面用到的WE-MPSB 742 792 245 51有着35 mΩ的DC电阻，会产生额外导通损耗，降低整体效率。我们实验室的测试结果显示，使用的每个片式铁氧体磁珠对效率的影响均不大，最多仅从95%降到94.5%。为了详细讨论，我们计算后的效率如下所示：
DC偏压对阻抗特性的影响
包括片式铁氧体磁珠在内所有磁性元器件都遵循基本电磁学原理，随着DC电流的增加，它们会不断地趋向完全饱和。这种饱和效应会改变阻抗曲线，如图10所示。电感峰值几乎保持不变，只出现了其初始值40%的下降。而在较低频率下，阻抗下降幅达高达90%。低频率下，DC电流饱和的感性器件成为主导部分。而在SRF上时，电容器件成为主导，且不会受到DC电流的影响。
图10：EMC测试结果。使用WE-MPSB片式磁珠显著改善从100M~250 MHz内的辐射EMI。
如果在满负载电流下做EMI测试，最坏情况下的阻抗改变已经在测量中考虑到了，不必再考虑这个影响。重要的是需要知道，片式铁氧体磁珠的尺寸越大，由DC电流引起的阻抗变化越小。
图11：从0A至4ADC偏置电流下WE-MPSB 742 792 245 51的阻抗。
结论
片式铁氧体磁珠是降低10 MHz以上高频噪声的最佳元器件。在电源布局中，它们必须尽量接近输入和输出到连接器的噪声源，以准确滤除来自输入和输出线路上的传导性EMI，这样可以防止这些传导性EMI成为辐射性EMI。作为线路中的第一个元器件和最后一个元器件，片式磁珠铁氧体必需承受巨大的瞬时电流。现在电路设计人员可选择效率影响程度最小并在大电流脉冲下具有优异可靠性的WE-MPSB系列产品来过滤噪声。