2014 五月

用于智能手机高频噪声抑制的片式磁珠

只需一个元件即可实现高效的EMC解决方案

随着智能手机支持越来越多的频段,其工作频率不断提高,最高可达数GHz。为此TDK发布了MMZ系列积层片式磁珠,只需一个小型元件即可在较宽的频率范围内有效地抑制噪声。

如何为当今的智能手机与平板电脑实现高效的EMC设计对设计工程师来说是一项极具挑战性的任务。这些设备不仅将天线集成在狭小的空间内来实现2G、3G,甚至4G服务,而且还要提供越来越多的附加功能,比如WLAN、蓝牙、GPS连接、摄像机以及高分辨率显示屏。从EMC角度来看,这意味着信号频率会越来越高,并将延伸至GHz范围并产生谐波,最终导致EMC环境变得更加复杂,使得电磁干扰 (EMI) 或噪声等级更高。因此,在GHz频段内进行噪声控制成为了一个至关重要的课题。

由于Tx和Rx天线之间的距离很近,来自移动通讯Tx和Rx信号的EMI会严重影响智能手机的性能。即使是低等级的噪声也会引起天线输入功率的大幅增加,从而降低接收灵敏度。尽管这在信号较强的地方问题不大,但在Tx信号较弱的地方用户会很难接收到信号。

智能手机支持多个频段同样也会增加自身的设计难度。由于每个频段都需要进行噪声控制,EMC元件的数量就会增加,这导致移动设备更小更薄的要求难以得到满足。为精简元件数量并节约空间,智能手机设计师们一直在寻找超紧凑并同时可覆盖更宽频段的EMC元件。

为满足下一代移动设备的EMC要求,TDK发布了3个新型号以扩展积层Gigaspira®片式磁珠的阵容:

  • MMZ-1005V,拥有GHz 频段内世界最高的阻抗;
  • MMZ-0603E,是现有MMZ-1005E的小型化版本;
  • MPZ-1005E,具有低直流电阻、高电流处理能力、高阻抗的特点。

此外,由于新型Gigaspira片式磁珠覆盖频段广泛,所以只需一块芯片即可有效地控制多个频段的噪声。

片式磁珠的噪声抑制基本原理

片式磁珠是一种通过与潜在EMI发射源的传输线路并联来抑制噪声的元件。由于使用便利,它们广泛用于各种设备中。

作为片式磁珠主要特性的抗阻(Z)是电抗 (X) 与电阻 (R) 的合成电阻。电抗分量在低频范围内占主导,并起到反映噪声的电感器的作用。随着频率增加,电阻分量不断增加,起到将噪声转化为热量并吸收的作用。图1显示了片式磁珠的典型频率特性。

图1:片式磁珠的典型频率特性

最大衰减发生在电感元件电抗降为0时,因此TDK Gigaspira磁珠可在很宽的频率范围上抑制噪声。

内部导体纵向缠绕

Gigaspira片式磁珠采用了TDK专利的积层结构与铁氧体技术从而实现了更高的阻抗。图2显示了普通片式磁珠与最新的Gigaspira片式磁珠的内部结构。在普通片式磁珠中,内部导体中的线圈元件 (L)、内部导体间的杂散电容 (C) 以及外部电极会产生自身谐振(LC谐振),且当频率范围高于自谐振频率 (SRF) 时阻抗会降低。

Gigaspira片式磁珠的线圈沿纵向缠绕并与端子平面垂直,这不仅减少了杂散电容,而且还将SRF增大至更高的频率区域。

图2:内部结构与自谐振频率 (SRF) 之间的关系

普通片式磁珠中,线圈的缠绕方向与电极端子平面平行(左),从而在内部导体中产生端子电极电容以及杂散电容。而TDK Gigaspira磁珠则是垂直缠绕(右)的,显著减少了端子电极的杂散电容并增大了自谐振频率 (SRF)。

纵向缠绕另一个好处是可以增加线圈绕圈的数量,因此阻抗比普通片式磁珠更高(图3)。这有助于将阻抗延伸到高频范围并能够消除高频段噪声分量,而普通磁珠则无法做到这点。因此Gigaspira作为高效的EMC元件存在于智能手机和其他需要使用多个通信频段的设备中。EMI水平测试结果也同样验证了Gigaspira磁珠优异的噪声抑制效果(图4)。

图3:TDK Gigaspira片式磁珠优异的阻抗和频率特性

由于杂散电容低,TDK Gigaspira磁珠能够在高频范围内抑制EMI,这是普通磁珠所无法做到的。

图4:TDK Gigaspira磁珠与普通片式磁珠的噪声抑制对比

凭借特殊的线圈设计,TDK Gigaspira磁珠在很宽的频率范围内的阻抗值明显高于普通片式磁珠(左)。由于阻抗值更高,Gigaspira磁珠比普通元件具有更好的噪声抑制性能(右)。

广泛的Gigaspira片式磁珠产品线

TDK可提供4款Gigaspira磁珠产品阵容(见下表)。

首先是MMZ-V系列,它具有在GHz频段内业内最高的阻抗。这种磁珠在0.7 GHz至3 GHz的频率范围内的阻抗尤其高,因此能够抑制MMZ-E系列无法消除的噪声。所以该系列对于常见于LTE或WLAN数GHz下的典型干扰以及其他高频噪声具有优异的抑制性能。


MMZ1005-E系列的自谐振频率 (SRF) 已提高至GHz频段,远高于普通片式磁珠。因此只需一个元件即可在很宽的频率范围内进行有效的噪声控制。与MMZ-V系列一样,其阻抗处于GHz范围内,同样远高于普通型号。该系列基于4种不同材料共有14种类型,涵盖广泛的频率范围,适合对一般到高速的信号进行噪声抑制。


MMZ0603-E系列的阻抗值与1005相当,但尺寸为小型EIA 0604封装 (0.6 mm × 0.3 mm × 0.3 mm)。这意味着体积和封装面积分别比1005封装减少78%和64%。借助优化的内部构造,MMZ0603-E的SRF比体积更大的MMZ1005-E元件更高。该系列基于3种不同材料共有8种类型,涵盖广泛的频率范围,适合对一般到高速的信号进行噪声抑制。


第4种是MPZ-E系列。由于相比MMZ-E系列,其直流电阻更低而电流能力更高,它非常适合用于电源线或在信号线中用来确保低功耗。MPZ-E系列的阻抗值比标准的MPZ型号更高。该系列包括在整个宽频下(至GHz范围)都具有高阻抗的S型以及在GHz范围阻抗值急剧增大的F型。

表:TDK Gigaspira片式磁珠关键参数

系列

串联阻抗
@ 100 MHz [Ω]*

串联阻抗
@ 1 GHz [Ω]**

串联阻抗
@ 2.5 GHz [Ω]**

直流电阻
[Ω]

额定电流
[mA]

MMZ-V75 到 180500 到 12001400 到 30000.9 到 1.6150 到 250
MMZ1005-E47 到 2200800 到 3000--0.65 到 2.2150 到 300
MMZ0603-E 600 到 10001000 到 1800--1.6 到 2.6125 到 150

MPZ-E

33 到 330200 到 600--0.22 到 0.45700 到 1500

*  ± 25 %
** ± 40 %

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