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案例|電源入口加磁珠,出事了

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發(fā)表于 2024-9-5 07:39:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
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點擊上方名片關(guān)注了解更多+ l7 m! O( D; K& U* I
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一、 摘要磁珠主要由鐵氧體及線圈組成,磁珠抑制干擾的主要原理是利用高頻時通過電阻發(fā)熱將干擾消耗。如果長期處于干擾強(qiáng)烈的情況下,磁珠有可能過熱燒毀。
& J. m& f5 x# Y0 b4 D" x二、 問題描述我們的產(chǎn)品用在工業(yè)現(xiàn)場,產(chǎn)品在發(fā)貨約1萬臺,運行兩個月后,從客戶返回約10臺損壞的設(shè)備,經(jīng)過研發(fā)分析,這些損壞的產(chǎn)品都是同一個地方損壞,如下圖1中的磁珠L1,、L3,磁珠外觀有明顯的燒毀痕跡,但是前級的保險、TV,后級的電源芯片都沒有損壞。, R! z6 ]: ~5 p. H1 B* R% S
說明:產(chǎn)品的功耗約24V、0.3A,磁珠的選型為1200Ω/1A/L1206。從選型的規(guī)格降額上是沒有問題的。0 F2 _4 k& `3 @% Y6 ^2 d! t
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2 o/ W1 o( Q, h% Z8 `圖1 :損壞器件的器件! r0 x$ r/ G- |* c5 D

5 t* F5 I8 c' h- A: U( E  `, W三、 原因分析由于保險、TVS、電源芯片都沒有損壞,基本上可以排除過流的情況,結(jié)合客戶的現(xiàn)場應(yīng)用,客戶使用DC24V供電,DC24V上同時掛載了50多個交流接觸器,用于過程控制,接觸器的動作頻率約1次/S。經(jīng)過現(xiàn)場工程師的示波器測試,現(xiàn)場捕捉到非常高的浪涌干擾。在電源端口處最高可以測試到DC57V、60MHZ左右的脈沖干擾。斷開接觸器后,該干擾消失,說明是有與接觸器導(dǎo)致的干擾。
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. _: g: C& R9 o2 g$ |9 W: U$ m圖2 :使用示波器余暉功能抓到的波形
8 }' P  P" J# i/ _  m+ z. x我們先來了解一下磁珠的內(nèi)部結(jié)構(gòu),磁珠由線圈、鐵氧體磁芯和外面的鍍層和封裝構(gòu)成,如下圖3,可以看出,磁珠主要是有線圈包裹多層鐵氧體組成。' F+ M/ M/ D# H* r7 x

* d1 ]% K$ S. _/ u6 R  }. i圖3 :磁珠示意圖(左)、實物圖(中)、等效電路圖(右)
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2 W( @1 ~+ X9 `) ^- o& X" J- E根據(jù)圖3,看我們可以推算出磁珠的阻抗計算公式:
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將公式展開后得到:6 {7 R( y& G/ [" _

9 ~# J- H# B0 E6 a( o/ q1 Q將公式展開后得到:( m+ M. I# F, l8 P. y, I9 O
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: q( v5 @/ h+ m& |拿村田的磁珠:MPZ1608B471ATA00為例,參數(shù)從pdf文檔中知道,R1=470Ω,L1=8.6uH,C1=0.2583pF,R2=0.110Ω。將該參數(shù)帶入matlab中進(jìn)行計算,如圖5所示,兩者對比,規(guī)格書的原圖與Matlab繪制的大致趨勢是一樣的,諧振頻率也相同,不過總體形狀還是差挺大的。那為什么會這樣呢?這個磁珠的模型稱為簡易模型,既然是簡易的,那就有更復(fù)雜的,復(fù)雜的我沒找到具體的電路模型,但是TDK給出了SPICE NETLIST,我們可以看出一些差異。我分別下載下來簡易模型和復(fù)雜模型的SPICE NETLIST,使用txt分別打開文件。可以看到,簡單模型里面只有C1,L1,R1,R2。而復(fù)雜模型就復(fù)雜多了,C有兩個,L有7個,R有9個。- j, {3 G$ T5 c1 [" R
可以想象到的是,復(fù)雜模型的各種寄生參數(shù)更多,也更符合實際的器件。規(guī)格書中的曲線應(yīng)該是從復(fù)雜模型得出來的。" i$ Z$ s0 V' F5 c  w, _4 }
因此我們實際使用過程,直接使用廠家提供的頻率阻抗曲線圖即可。
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圖4:規(guī)格書和matlab計算對比
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: y0 c  J: f7 M! ^1 h! _- f圖5:磁珠的簡易模型和復(fù)雜模型
# a* n. Z- D" R4 X可以想象到的是,復(fù)雜模型的各種寄生參數(shù)更多,也更符合實際的器件。規(guī)格書中的曲線應(yīng)該是從復(fù)雜模型得出來的。因此我們實際使用過程,直接使用廠家提供的頻率阻抗曲線圖即可。
& x" z0 t& G) X6 _原因分析到這里,讀者可能已經(jīng)知道答案了, 就是長期處于強(qiáng)干擾的情況下,磁珠會一直處于能耗狀態(tài),一致將高頻干擾轉(zhuǎn)換為熱能消耗,如果加上產(chǎn)品處于高溫場景,則溫度會疊加,當(dāng)長期發(fā)熱大約散熱的情況下,磁珠會不斷溫升,最終的后果就是圖1中的磁珠燒毀。
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' k1 b. m- S- C+ o2 ^3 J+ L; J2 \% v四、 解決方案設(shè)計者在電源端口加入磁珠,最主要的目的是在高頻幾十Mhz~幾百Mhz的高頻干擾過濾,同時又要考慮干擾抑制的效果,我們可以采用壓敏電阻+共模電感+電容+TVS的濾波模式,如圖6,壓敏電阻放置于最前端,主要是考慮壓敏電阻流通容量較大,很容易做到數(shù)百A,但是壓敏的響應(yīng)時間最長可達(dá)數(shù)十nS,高于nS級別的干擾還是無能為力的。TVS的響應(yīng)時間可達(dá)nS級別,但是TVS的流通能力相對于MOV較小,因此需要在MOV和TVS之間增加共模電感,共模電感和前后端的電容可以構(gòu)成退耦電路,可以將較高的尖峰脈沖削平,減少TVS的壓力。剩余的殘壓,可以使用TVS繼續(xù)降低,TVS的響應(yīng)時間為nS級別,理論上可以應(yīng)對1Ghz的干擾頻率,而后級需要防護(hù)的電源芯片還有去耦電容,在高頻率的干擾在實際傳導(dǎo)應(yīng)用中幾乎很少出現(xiàn)。; a8 g$ {! _# |3 P" M6 S5 b$ x

- u) H# e6 Y3 w% o圖6:經(jīng)過防護(hù)和去耦以后可以大幅度降低干擾。
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圖7:完整的DC端口輸入防護(hù)方案) A) t# k2 i7 ^7 ~5 c
第一級為濾波方案,由圖B組成,其中C5、C7使用C1812/1nF/2kV的陶瓷電容組成,選用這么大封裝主要是由于做涌浪測試時,由于電容并非理想電容,內(nèi)部有ESR,高壓下電容會發(fā)熱,因此需要較大封裝的電容提高流通能力,C6為差模濾波,主要的流通途徑有壓敏電阻R1以及后級的電解電容等,因此封裝C0805,耐壓100V即可。0 U- P* [/ Q& `$ W& D4 N# _( W8 N
第二級為防護(hù)方案,由圖A組成,自恢復(fù)保險和壓敏電阻的流通能力要相當(dāng),否則,當(dāng)保險比壓敏流通能力大很多時,有可能出現(xiàn)壓敏已經(jīng)開始嚴(yán)重發(fā)熱,有可能短路起火,但是保險還沒有斷開,將會導(dǎo)致起火事故。當(dāng)壓敏比保險流通能力大很多時,正常的干擾脈沖,有可能導(dǎo)致保險斷開,電路無法工作。壓敏這個位置替代TVS的主要目的是由于相同封裝大小的器件,壓敏的流通能力比TVS大很多倍,性價比十分突出。
8 M; I. o- {; y6 E第三級為濾波方案,如圖C所示,主要由電容和共模電感組成,由于壓敏電阻的響應(yīng)時間較慢(相對于TVS),為us級別,而后級的TVS響應(yīng)時間為nS級別,并且前端的壓敏主要缺點是防護(hù)不精準(zhǔn),有殘壓,因此需要共模電感阻尼效應(yīng),將高頻尖峰脈沖削平,然后通過電解電容以及陶瓷電容的泄放通道泄放到負(fù)極。3 d1 o3 N- }9 H. }/ t) {
第四級為防護(hù)方案,如圖D所示,由于前端的壓敏響應(yīng)時間較慢,以及有殘壓殘留,因此該處需要增加TVS進(jìn)行最后的防護(hù),防止還有過高頻率的脈沖進(jìn)入后級電路,該處TVS使用600W即可。0 R) z3 z; g2 e7 h" }
第五級為濾波方案,如圖E,濾波放置于TVS后級,為后級的電源芯片提供最后的濾波已經(jīng)儲能應(yīng)用。/ c# @) q$ J9 G& {8 l

& ~4 v& a5 }; G" o5 q! y五、 總結(jié)雖然供應(yīng)商信誓旦旦宣稱磁珠可以通過XXA的電流,很多工程師就深信不疑,但是很容易忽略磁珠的結(jié)構(gòu)缺陷,使用一坨的鐵氧體包裹較小的線圈,并且是能耗器件,在高溫的環(huán)境下,如果發(fā)熱比散熱高很多,很容易會導(dǎo)致發(fā)熱燒毀。如果讀者信心還很足,建議可以解刨一個磁珠,看看內(nèi)部的線圈大小,能不能應(yīng)對你需求的電流。
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( D+ h! }; j7 e+ V# E, c7 n聲明:) m5 _7 F  `# `) ?" j9 h
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