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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(zhǎng)期處于干擾強(qiáng)烈的情況下,磁珠有可能過熱燒毀。
- C( x1 q" _# y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(wàn)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L(zhǎng)1,、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。/ W/ h# s6 a5 a" o
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。
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圖1 :損壞器件的器件9 d! U) ^8 b: ]6 b
* c6 u! h8 d( K. T# {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。& z' |' f: v2 h, Z3 N
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圖2 :使用示波器余暉功能抓到的波形
( D% P9 A0 [( e0 g4 V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。
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9 @% P+ K8 Y7 U) t, p圖3 :磁珠示意圖(左)、實(shí)物圖(中)、等效電路圖(右)
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! a4 W, d& j! j" R3 B% m根據(jù)圖3,看我們可以推算出磁珠的阻抗計(jì)算公式:
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0 \" s1 M" K/ O. B7 Y- }將公式展開后得到:
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1 ~5 T) P+ {! L將公式展開后得到:
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7 i3 x+ i0 s1 b, I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(jiǎn)易模型,既然是簡(jiǎn)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(jiǎn)易模型和復(fù)雜模型的SPICE NETLIST,使用txt分別打開文件?梢钥吹剑(jiǎn)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)。
! K# w, Z6 H$ C; t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。3 @0 ]/ A' ?9 }. j$ G
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。- F y/ ^0 H8 m4 T- d+ |
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* |& Y7 o, S! R. e% t) x9 h圖4:規(guī)格書和matlab計(jì)算對(duì)比
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圖5:磁珠的簡(jiǎn)易模型和復(fù)雜模型
9 a" x2 N8 b$ Y8 M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。
7 Q' D: n0 }. B* J, U原因分析到這里,讀者可能已經(jīng)知道答案了, 就是長(zhǎng)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(zhǎng)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。; A, c T" J! t% A4 M
; z4 y) g# X' }3 E) T3 K7 Z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(zhǎng)可達(dá)數(shù)十nS,高于nS級(jí)別的干擾還是無(wú)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)。
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$ ~8 n* A# y) y9 B2 E e& O圖6:經(jīng)過防護(hù)和去耦以后可以大幅度降低干擾。4 D2 T% t8 u$ X
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; p, M# A$ p: x+ ^圖7:完整的DC端口輸入防護(hù)方案
: @. N% p% t" |# F, w6 Y4 l( ~: i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。
. b t& o( }5 ?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(wú)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。
, y. ^" @8 j0 c/ v) k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。' i: ^8 D( `) X P
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。
8 i1 b; ~ p& }" \2 D* _* O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。& h u+ l8 Q. U$ c3 B7 r3 w
6 f( j, m: l1 e/ p6 v, V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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