案例｜電源入口加磁珠，出事了

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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。
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。



7 P, a( w& @: j! |& N3 l0 Q# _圖1 ：損壞器件的器件

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。

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。
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圖3 ：磁珠示意圖（左）、實物圖（中）、等效電路圖（右）
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# 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：

將公式展開后得到：
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將公式展開后得到：


' `- 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。
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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! k4 ], K* N$ U# y4 O3 G圖4：規(guī)格書和matlab計算對比
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- 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。
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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)。

圖6：經過防護和去耦以后可以大幅度降低干擾。


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。
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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。
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