磁珠使用不當(dāng)可能會(huì)使電源紋波變大

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作者：黃剛（一博科技自媒體高速先生原創(chuàng)文）
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PCB設(shè)計(jì)會(huì)存在各種大大小小的誤區(qū)，有的誤區(qū)很容易用簡(jiǎn)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(dòng)中驚訝的發(fā)現(xiàn)，磁珠對(duì)電源紋波可能會(huì)存在反面影響這個(gè)誤區(qū)原來(lái)一直都是謎一樣的存在…
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高速先生曾經(jīng)問(wèn)過(guò)很多硬件的朋友們，為什么在轉(zhuǎn)換電源時(shí)要加磁珠，基本上我們得到的答案都是兩個(gè)字：隔離！的確，從硬件原理來(lái)說(shuō)，磁珠放在電源轉(zhuǎn)換的前后級(jí)，的確能限制快速切換的電流帶來(lái)的紋波從前級(jí)擴(kuò)散到后級(jí)，從而把紋波局限在某個(gè)范圍，不會(huì)擴(kuò)散到該電源的全部區(qū)域，然而真正實(shí)踐起來(lái)的時(shí)候，結(jié)果可能會(huì)讓你大跌眼鏡。



這個(gè)高速先生接觸過(guò)的一個(gè)有意思的案例，客戶找到我們來(lái)做debug。既然是做debug，顧名思義就是板子的調(diào)試出了問(wèn)題，然后想讓高速先生幫忙找到原因咯。
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客戶的PCIE信號(hào)總會(huì)偶爾存在通信失敗的問(wèn)題，客戶定位到是PCIE電源的紋波過(guò)大的原因造成的�？蛻粢蔡峁┝怂麄儗�(duì)電源的測(cè)試波形，如下所示，峰峰值達(dá)到160mV。
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然后我們打開客戶的原理圖和PCB設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)是一個(gè)從1.8V主電源通過(guò)磁珠轉(zhuǎn)換得到的PCIE電源。1.8V是通過(guò)DC-DC電源芯片從高電壓轉(zhuǎn)換而來(lái)的，我們看到前段的濾波設(shè)計(jì)是做得不錯(cuò)的，在電源輸出端放上了大電容（uF級(jí)），符合我們常規(guī)的設(shè)計(jì)。



那么問(wèn)題到底出在哪里呢？為什么轉(zhuǎn)換后的電源紋波會(huì)變得那么大？我們把測(cè)試到的紋波轉(zhuǎn)換到頻域來(lái)看，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)紋波的頻率分量都在450kHz，這個(gè)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(gè)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(guò)鏈路帶給了這個(gè)轉(zhuǎn)換后的電源。然后我們對(duì)該電源鏈路進(jìn)行一個(gè)頻域的仿真，從仿真結(jié)果可以看到，經(jīng)過(guò)該磁珠之后，該電源在450kHz附近出現(xiàn)了明顯的反諧振點(diǎn)。
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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(huì)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(gè)頻段的噪聲，實(shí)際上噪聲會(huì)一直傳遞到電源的接收端，不能被濾掉之類，還會(huì)把噪聲的幅度提高。
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7 p* A% _& X: E關(guān)于電源濾波這個(gè)原理，在文章這里就不展開了，大家可以去觀看高速先生隊(duì)長(zhǎng)親自拍攝的視頻，獲得更多的知識(shí)點(diǎn)哈。
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https://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(gè)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(wèn)題，那我們更形象的對(duì)該紋波進(jìn)行時(shí)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：
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: x9 }& Z1 n9 m- l2 k9 t7 C那么大家能猜想到接收端的電源會(huì)產(chǎn)生多大的紋波嗎？



. ~0 P5 o1 c5 ?. s會(huì)比噪聲小一丟丟？會(huì)基本上濾掉？還是。。。對(duì)！不僅不會(huì)濾掉，還會(huì)增大�。�！



是的，就是這個(gè)效果。
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那么可能還有很多朋友還會(huì)問(wèn)兩個(gè)問(wèn)題，一是為什么會(huì)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(huì)有意見，那么高速先生就繼續(xù)往下講哈。
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3 ^# x, ]2 z7 M- f. {' r2 a原因的話，我們知道，磁珠其實(shí)和電感是類似的，在高頻時(shí)表現(xiàn)為高阻抗的物體，因此電感和電容會(huì)在某個(gè)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?cè)诖胖楹竺嫣砑拥氖潜容^小的電容，因此配合到這一款磁珠的屬性，剛好會(huì)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(gè)頻段，因此就產(chǎn)生了本文的這個(gè)案例了。
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% s8 L- u  `7 v最后再說(shuō)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(gè)電容換成更大的10uF的電容。
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4 }7 U1 o: x/ p) a, l6 c從仿真結(jié)果來(lái)看就能有很明顯的優(yōu)化，完全消除了這個(gè)反諧振點(diǎn)。

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9 z% P' r6 y1 p9 D( h, @當(dāng)然也成功幫助客戶解決了問(wèn)題，PCIE的通信就不再出問(wèn)題了，這時(shí)候再讓客戶測(cè)試下噪聲的話，也變得比較小了。



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