案例｜電源入口加磁珠，出事了

硬件筆記本

點(diǎn)擊上方名片關(guān)注了解更多
/ t/ h1 e  Q0 I6 |5 x! H8 J; L

2 p7 }! y7 `; }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。
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(yùn)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。
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。


+ J" W3 M; U9 Z! o! u. H  C
圖1 ：損壞器件的器件

9 m. w' m6 j7 m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。

, }& d  Y# B2 k" ]% n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。
9 ?" ^  w# K- o6 Z& c+ y% [4 t2 R
5 ^* @4 X2 V- p( \% D. B) p  f* [9 ]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算公式：

將公式展開后得到：
. z$ @% Y  n% X' t
將公式展開后得到：


- a0 |/ F2 l8 t6 i; f$ `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�？梢钥吹�，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。
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。
; P( C' l1 `, L5 E; K" f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。
/ N% U3 Y5 {. |  n
圖4：規(guī)格書和matlab計算對比
- s/ y0 v8 V: M/ `7 E; X4 m; e1 o
4 Z/ u) }, ^7 k  v6 C5 T5 n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。
5 c( K, r- U' u/ `8 G: D! }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。

5 A- h+ `' e1 n$ l7 _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M(fèi)hz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(shí)際傳導(dǎo)應(yīng)用中幾乎很少出現(xiàn)。
  {3 o- q+ [# N$ \3 ^% o: U: d
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。
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。
: ~2 t" g* j  b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(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。
2 N" U1 f4 H3 G% L- f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。
1 G6 S  c: b% }, j2 _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。
9 M6 t+ R# P. c3 s) e
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。
2 p- j5 C5 R' |' ~! ?6 `
5 z& F) f& ^! |' r
聲明：
) u# Q: z3 g; P, O* c: E聲明：文章來源網(wǎng)絡(luò)。本號對所有原創(chuàng)、轉(zhuǎn)載文章的陳述與觀點(diǎn)均保持中立，推送文章僅供讀者學(xué)習(xí)和交流。文章、圖片等版權(quán)歸原作者享有，如有侵權(quán)，聯(lián)系刪除。投稿/招聘/推廣/宣傳/技術(shù)咨詢 請加微信：woniu26a推薦閱讀▼
  W7 A* R8 b: K電路設(shè)計-電路分析
emc相關(guān)文章
電子元器件
% {" a' u' l  {8 ?9 o/ w& S( c0 u后臺回復(fù)“加群”，管理員拉你加入同行技術(shù)交流群。