電子產業(yè)一站式賦能平臺

PCB聯(lián)盟網

搜索
查看: 37|回復: 0
收起左側

案例|電源入口加磁珠,出事了

[復制鏈接]

498

主題

498

帖子

3259

積分

四級會員

Rank: 4

積分
3259
跳轉到指定樓層
樓主
發(fā)表于 2024-9-5 07:39:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |正序瀏覽 |閱讀模式
  ?. t4 V# S7 G& F
點擊上方名片關注了解更多
' A0 `- ?0 E2 E; t: a, ?
4 I2 q% R4 g4 v% o: C% Z- m6 V( e5 R8 @( f! ^& b, N
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烈的情況下,磁珠有可能過熱燒毀。
9 g# F: o$ @  m8 A& i6 c6 B8 ?) b二、 問題描述我們的產品用在工業(yè)現(xiàn)場,產品在發(fā)貨約1萬臺,運行兩個月后,從客戶返回約10臺損壞的設備,經過研發(fā)分析,這些損壞的產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。/ A/ c0 H! \# V  \. A8 ]" b$ Y/ X, C
說明:產品的功耗約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。2 Q2 @# ^" q: W
4 S" ?: U% u9 _: p9 @% H
2 u! g5 ^" |% D$ \! }; S

7 P, a( w& @: j! |& N3 l0 Q# _圖1 :損壞器件的器件/ q) v/ }0 p- U1 m* C
8 i2 ]2 I! |0 c; x4 p, l
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,結合客戶的現(xiàn)場應用,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致的干擾。0 c9 n9 B6 F- w( t$ q2 s' j

6 v7 M# S0 B# I/ R7 i( e- F4 k0 \圖2 :使用示波器余暉功能抓到的波形
" n- z7 X2 [. ?+ v0 K我們先來了解一下磁珠的內部結構,磁珠由線圈、鐵氧體磁芯和外面的鍍層和封裝構成,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。
: L' y+ b/ n! q 3 _6 |- P1 o4 i$ R
圖3 :磁珠示意圖(左)、實物圖(中)、等效電路圖(右)
$ y7 C1 V" A' Q
# b0 c- a$ F5 W* B0 v+ z) v根據圖3,看我們可以推算出磁珠的阻抗計算公式:4 o' b4 F- F+ {" F
+ J& g2 r6 d+ U9 r! B
將公式展開后得到:
" h5 M. \* G$ c# y- w 1 ]8 G; t# U: L8 ^
將公式展開后得到:3 a+ w: r( n4 I: h6 m6 g+ s$ Y
8 S0 @$ i! f) M/ R! c# U, p6 Y

' `- V, O, Y- W* u* V5 k$ r3 d6 K" V拿村田的磁珠:MPZ1608B471ATA00為例,參數從pdf文檔中知道,R1=470Ω,L1=8.6uH,C1=0.2583pF,R2=0.110Ω。將該參數帶入matlab中進行計算,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,那就有更復雜的,復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雜模型的SPICE NETLIST,使用txt分別打開文件?梢钥吹,簡單模型里面只有C1,L1,R1,R2。而復雜模型就復雜多了,C有兩個,L有7個,R有9個。
; p$ T- ^# d3 K可以想象到的是,復雜模型的各種寄生參數更多,也更符合實際的器件。規(guī)格書中的曲線應該是從復雜模型得出來的。; f6 X* U/ [' F7 M# u2 |  {
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。
# `$ v( p0 Y% A! V+ J. Z6 q! c' x
! k4 ], K* N$ U# y4 O3 G圖4:規(guī)格書和matlab計算對比
) l2 x) h" V* V) `
- X" l8 T, @$ z; g( F& Z2 q7 J圖5:磁珠的簡易模型和復雜模型
- H. A' x5 N! @; f5 `5 X可以想象到的是,復雜模型的各種寄生參數更多,也更符合實際的器件。規(guī)格書中的曲線應該是從復雜模型得出來的。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。
1 n# H' J4 d; x8 W7 C/ s原因分析到這里,讀者可能已經知道答案了, 就是長期處于強干擾的情況下,磁珠會一直處于能耗狀態(tài),一致將高頻干擾轉換為熱能消耗,如果加上產品處于高溫場景,則溫度會疊加,當長期發(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。
7 B+ V8 Y5 e3 F  j0 V3 ^! f2 W" x6 m) ~7 Q9 q& W
四、 解決方案設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,很容易做到數百A,但是壓敏的響應時間最長可達數十nS,高于nS級別的干擾還是無能為力的。TVS的響應時間可達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的響應時間為nS級別,理論上可以應對1Ghz的干擾頻率,而后級需要防護的電源芯片還有去耦電容,在高頻率的干擾在實際傳導應用中幾乎很少出現(xiàn)。1 g$ U5 O$ ~( s9 |
7 u: X9 G+ X* V) p( n% B
圖6:經過防護和去耦以后可以大幅度降低干擾。1 y( J6 A5 X) T0 l  {
( T, z8 @  H2 c/ M3 q
% C7 d: k/ ]4 G, o6 P
圖7:完整的DC端口輸入防護方案
# {( n4 ]' Z: @$ |: G3 ^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$ g+ K$ F第二級為防護方案,由圖A組成,自恢復保險和壓敏電阻的流通能力要相當,否則,當保險比壓敏流通能力大很多時,有可能出現(xiàn)壓敏已經開始嚴重發(fā)熱,有可能短路起火,但是保險還沒有斷開,將會導致起火事故。當壓敏比保險流通能力大很多時,正常的干擾脈沖,有可能導致保險斷開,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 z/ ^! D" g5 k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時間較慢(相對于TVS),為us級別,而后級的TVS響應時間為nS級別,并且前端的壓敏主要缺點是防護不精準,有殘壓,因此需要共模電感阻尼效應,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極。
2 @2 Q9 n  c# ]+ ?6 V- Z( k0 t5 X第四級為防護方案,如圖D所示,由于前端的壓敏響應時間較慢,以及有殘壓殘留,因此該處需要增加TVS進行最后的防護,防止還有過高頻率的脈沖進入后級電路,該處TVS使用600W即可。
9 W5 R. A' [; [# ^$ S  o' @8 }; O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儲能應用。
* L- L2 J/ W  U' Z) q. ?) P+ j# j- s; e1 p: F
五、 總結雖然供應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構缺陷,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,看看內部的線圈大小,能不能應對你需求的電流。
0 ~6 a8 e4 ]/ ]0 {) A 2 V9 I( ?5 W$ j' ]- p

9 `- c  A) M4 [聲明:
; |9 Q" S& M4 d+ T聲明:文章來源網絡。本號對所有原創(chuàng)、轉載文章的陳述與觀點均保持中立,推送文章僅供讀者學習和交流。文章、圖片等版權歸原作者享有,如有侵權,聯(lián)系刪除。投稿/招聘/推廣/宣傳/技術咨詢 請加微信:woniu26a推薦閱讀▼
: H1 W! l2 Q; [" v  g電路設計-電路分析5 o/ h, g, _+ a6 x
emc相關文章
  U6 M7 U) i7 K) v7 g& d0 H9 }" e0 U+ [電子元器件  D& y$ C0 ?- f4 J: U3 p( C0 N) s
后臺回復“加群”,管理員拉你加入同行技術交流群。
回復

使用道具 舉報

發(fā)表回復

您需要登錄后才可以回帖 登錄 | 立即注冊

本版積分規(guī)則

關閉

站長推薦上一條 /1 下一條


聯(lián)系客服 關注微信 下載APP 返回頂部 返回列表