案例｜電源入口加磁珠，出事了

硬件筆記本 · 發(fā)表于 2024-9-5 07:39:00

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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(shí)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。
二、問題描述我們的產(chǎn)品用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，產(chǎn)品在發(fā)貨約1萬臺(tái)，運(yùn)行兩個(gè)月后，從客戶返回約10臺(tái)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(gè)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(jí)的保險(xiǎn)、TV，后級(jí)的電源芯片都沒有損壞。
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。

圖1 ：損壞器件的器件

三、原因分析由于保險(xiǎn)、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(chǎng)應(yīng)用，客戶使用DC24V供電，DC24V上同時(shí)掛載了50多個(gè)交流接觸器，用于過程控制，接觸器的動(dòng)作頻率約1次/S。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)工程師的示波器測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)捕捉到非常高的浪涌干擾。在電源端口處最高可以測(cè)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。

圖2 ：使用示波器余暉功能抓到的波形
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。

圖3 ：磁珠示意圖（左）、實(shí)物圖（中）、等效電路圖（右）

根據(jù)圖3,看我們可以推算出磁珠的阻抗計(jì)算公式：

將公式展開后得到：

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(jì)算，如圖5所示，兩者對(duì)比，規(guī)格書的原圖與Matlab繪制的大致趨勢(shì)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(huì)這樣呢？這個(gè)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(gè)，L有7個(gè)，R有9個(gè)。
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(shí)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(shí)際使用過程，直接使用廠家提供的頻率阻抗曲線圖即可。

圖4：規(guī)格書和matlab計(jì)算對(duì)比

圖5：磁珠的簡易模型和復(fù)雜模型
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(shí)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(shí)際使用過程，直接使用廠家提供的頻率阻抗曲線圖即可。
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(huì)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(chǎng)景，則溫度會(huì)疊加，當(dāng)長期發(fā)熱大約散熱的情況下，磁珠會(huì)不斷溫升，最終的后果就是圖1中的磁珠燒毀。

四、解決方案設(shè)計(jì)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M(fèi)hz的高頻干擾過濾，同時(shí)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(shí)間最長可達(dá)數(shù)十nS，高于nS級(jí)別的干擾還是無能為力的。TVS的響應(yīng)時(shí)間可達(dá)nS級(jí)別，但是TVS的流通能力相對(duì)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(shí)間為nS級(jí)別，理論上可以應(yīng)對(duì)1Ghz的干擾頻率，而后級(jí)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(shí)際傳導(dǎo)應(yīng)用中幾乎很少出現(xiàn)。

圖6：經(jīng)過防護(hù)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(hù)方案
第一級(jí)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(cè)試時(shí)，由于電容并非理想電容，內(nèi)部有ESR，高壓下電容會(huì)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(jí)的電解電容等，因此封裝C0805，耐壓100V即可。
第二級(jí)為防護(hù)方案，由圖A組成，自恢復(fù)保險(xiǎn)和壓敏電阻的流通能力要相當(dāng)，否則，當(dāng)保險(xiǎn)比壓敏流通能力大很多時(shí)，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(xiǎn)還沒有斷開，將會(huì)導(dǎo)致起火事故。當(dāng)壓敏比保險(xiǎn)流通能力大很多時(shí)，正常的干擾脈沖，有可能導(dǎo)致保險(xiǎn)斷開，電路無法工作。壓敏這個(gè)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(jià)比十分突出。
第三級(jí)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(shí)間較慢（相對(duì)于TVS），為us級(jí)別，而后級(jí)的TVS響應(yīng)時(shí)間為nS級(jí)別，并且前端的壓敏主要缺點(diǎn)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。
第四級(jí)為防護(hù)方案，如圖D所示，由于前端的壓敏響應(yīng)時(shí)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(jí)電路，該處TVS使用600W即可。
第五級(jí)為濾波方案，如圖E，濾波放置于TVS后級(jí)，為后級(jí)的電源芯片提供最后的濾波已經(jīng)儲(chǔ)能應(yīng)用。

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(huì)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(gè)磁珠，看看內(nèi)部的線圈大小，能不能應(yīng)對(duì)你需求的電流。

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