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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 |正序瀏覽 |閱讀模式
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2 p* z" x. n& p2 d, k4 K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。1 C2 n6 S' p( P6 p
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。, M6 u: [* f% X1 s  F) N5 S% {
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。) i' K/ e9 ?$ x/ G* k: F+ N  U: y8 ]

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/ F) H. \- Q% K$ N圖1 :損壞器件的器件
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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。+ h6 r) `$ J' ~

) z5 P: v+ s$ b6 S, U* U2 q1 x圖2 :使用示波器余暉功能抓到的波形
, o  _, [# e; k  E3 @7 S. P$ i2 n; v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)$ x" w) M' [: n1 M& m

  m% h* w+ M: t0 }: L* G6 n& f根據圖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:
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  z. _- G9 G& ]' M  l/ s* _; K' r將公式展開后得到:
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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。可以看到,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。
+ V; ~& P2 O' L  H6 @2 y可以想象到的是,復雜模型的各種寄生參數(shù)更多,也更符合實際的器件。規(guī)格書中的曲線應該是從復雜模型得出來的。5 Z+ ]0 ?" G& [% I5 m" r  D
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' D4 Z3 [+ H4 f6 u( Q

9 |, L% |. o# ]# P8 [% I  Z圖5:磁珠的簡易模型和復雜模型
' {& g% Q1 j% z( y/ V3 q+ i可以想象到的是,復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。3 e' I( d0 R' V( o
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。' l/ y( }0 _9 ?- H% ^+ Y

9 i! I5 l1 L+ |0 J0 }8 k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(shù)百A,但是壓敏的響應時間最長可達數(shù)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)。
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圖6:經過防護和去耦以后可以大幅度降低干擾。% i$ G2 h5 N: d( W- p* D

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圖7:完整的DC端口輸入防護方案" A( m7 N& t& w" {# x+ ?
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。) Z0 b& t* ]$ X- e
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。
2 P$ q" r/ Q2 j, |5 u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。
; C0 K. L. }3 {- y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。
# M  _+ X$ b) N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。8 E/ t; F( q! {0 u0 V3 H6 q
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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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