电子产业一站式赋能平台

PCB联盟网

搜索
查看: 226|回复: 0
收起左侧

案例|电源入口加磁珠,出事了

[复制链接]

827

主题

827

帖子

7496

积分

高级会员

Rank: 5Rank: 5

积分
7496
发表于 2024-9-5 07:39:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

3jrnddyl3ry64011533241.gif

3jrnddyl3ry64011533241.gif

* g' S% v# J" N5 R点击上方名片关注了解更多
" L9 f+ E, U# V, J; y9 C: G, a- Q8 J: W

! P- O: C, p, P2 p; l一、 摘要磁珠主要由铁氧体及线圈组成,磁珠抑制干扰的主要原理是利用高频时通过电阻发热将干扰消耗。如果长期处于干扰强烈的情况下,磁珠有可能过热烧毁。
' H7 u; q% c8 y4 U二、 问题描述我们的产品用在工业现场,产品在发货约1万台,运行两个月后,从客户返回约10台损坏的设备,经过研发分析,这些损坏的产品都是同一个地方损坏,如下图1中的磁珠L1,、L3,磁珠外观有明显的烧毁痕迹,但是前级的保险、TV,后级的电源芯片都没有损坏。
* e; J7 i" E/ Y0 V4 o( C说明:产品的功耗约24V、0.3A,磁珠的选型为1200Ω/1A/L1206。从选型的规格降额上是没有问题的。
3 i- v7 f9 d- F) K: h% n

nerzaf4l3vw64011533342.png

nerzaf4l3vw64011533342.png
) A2 w/ v: {  {( m" |+ t

6 f  {' T7 ~. d/ U, s% R  R1 l

lfvz4dfedix64011533442.jpg

lfvz4dfedix64011533442.jpg
  K- f9 ^0 [3 l  z5 \# u8 @
图1 :损坏器件的器件
/ d. y' u8 ^# ]: u/ c; K0 t8 _
) z  D9 J+ a6 S( p% \三、 原因分析由于保险、TVS、电源芯片都没有损坏,基本上可以排除过流的情况,结合客户的现场应用,客户使用DC24V供电,DC24V上同时挂载了50多个交流接触器,用于过程控制,接触器的动作频率约1次/S。经过现场工程师的示波器测试,现场捕捉到非常高的浪涌干扰。在电源端口处最高可以测试到DC57V、60MHZ左右的脉冲干扰。断开接触器后,该干扰消失,说明是有与接触器导致的干扰。) L1 Q; G" u% _6 p! F: b% j

jebdgsik5fs64011533542.jpg

jebdgsik5fs64011533542.jpg
4 f; Q0 D- m8 N% f
图2 :使用示波器余晖功能抓到的波形  B! o' f! |( [
我们先来了解一下磁珠的内部结构,磁珠由线圈、铁氧体磁芯和外面的镀层和封装构成,如下图3,可以看出,磁珠主要是有线圈包裹多层铁氧体组成。
  ]# @! y, f7 ?, n6 w+ D% W0 n

1baxjwxgrob64011533642.png

1baxjwxgrob64011533642.png

& y  {; w$ B& g+ K; R6 T: M) j图3 :磁珠示意图(左)、实物图(中)、等效电路图(右)
% f2 Q0 i" H0 s6 e1 G$ X7 R( j9 o) w( u9 T* {2 \! M# H7 J
根据图3,看我们可以推算出磁珠的阻抗计算公式:
+ Q  F0 f( [, G" }2 ?( U8 B

1d3suvojf3r64011533742.png

1d3suvojf3r64011533742.png
( {& D; O. m! |/ r" j
将公式展开后得到:
5 l4 F( Z$ l8 p4 A1 v6 h' |

s1en5bmqvz264011533842.png

s1en5bmqvz264011533842.png

, X* m/ c7 Z5 w: o$ f2 j: Y将公式展开后得到:* v2 C. L: u" B! P4 e

r4lln5ijor164011533942.jpg

r4lln5ijor164011533942.jpg
) e3 e( Q& w- x4 V' J  m6 i
& @% R9 S" k9 R; l
拿村田的磁珠:MPZ1608B471ATA00为例,参数从pdf文档中知道,R1=470Ω,L1=8.6uH,C1=0.2583pF,R2=0.110Ω。将该参数带入matlab中进行计算,如图5所示,两者对比,规格书的原图与Matlab绘制的大致趋势是一样的,谐振频率也相同,不过总体形状还是差挺大的。那为什么会这样呢?这个磁珠的模型称为简易模型,既然是简易的,那就有更复杂的,复杂的我没找到具体的电路模型,但是TDK给出了SPICE NETLIST,我们可以看出一些差异。我分别下载下来简易模型和复杂模型的SPICE NETLIST,使用txt分别打开文件。可以看到,简单模型里面只有C1,L1,R1,R2。而复杂模型就复杂多了,C有两个,L有7个,R有9个。# U8 E, M2 K- a/ P: t8 ?2 `
可以想象到的是,复杂模型的各种寄生参数更多,也更符合实际的器件。规格书中的曲线应该是从复杂模型得出来的。" C  \5 I2 k. F2 U7 ]
因此我们实际使用过程,直接使用厂家提供的频率阻抗曲线图即可。6 q2 C+ d! e4 T& i) E

phrfux4vgxu64011534042.jpg

phrfux4vgxu64011534042.jpg

2 }) Z# A# D) Z图4:规格书和matlab计算对比
" O6 }$ [5 h" l- k2 A

bweluvf30zh64011534142.jpg

bweluvf30zh64011534142.jpg

8 o' h# M8 c, p% [: w图5:磁珠的简易模型和复杂模型
# x0 g3 I& n" ?& F4 D% v可以想象到的是,复杂模型的各种寄生参数更多,也更符合实际的器件。规格书中的曲线应该是从复杂模型得出来的。因此我们实际使用过程,直接使用厂家提供的频率阻抗曲线图即可。3 k* C& E; C% j! t- w
原因分析到这里,读者可能已经知道答案了, 就是长期处于强干扰的情况下,磁珠会一直处于能耗状态,一致将高频干扰转换为热能消耗,如果加上产品处于高温场景,则温度会叠加,当长期发热大约散热的情况下,磁珠会不断温升,最终的后果就是图1中的磁珠烧毁。( P8 U' b+ B; N% q# z

! r' P' @. U) |& g四、 解决方案设计者在电源端口加入磁珠,最主要的目的是在高频几十Mhz~几百Mhz的高频干扰过滤,同时又要考虑干扰抑制的效果,我们可以采用压敏电阻+共模电感+电容+TVS的滤波模式,如图6,压敏电阻放置于最前端,主要是考虑压敏电阻流通容量较大,很容易做到数百A,但是压敏的响应时间最长可达数十nS,高于nS级别的干扰还是无能为力的。TVS的响应时间可达nS级别,但是TVS的流通能力相对于MOV较小,因此需要在MOV和TVS之间增加共模电感,共模电感和前后端的电容可以构成退耦电路,可以将较高的尖峰脉冲削平,减少TVS的压力。剩余的残压,可以使用TVS继续降低,TVS的响应时间为nS级别,理论上可以应对1Ghz的干扰频率,而后级需要防护的电源芯片还有去耦电容,在高频率的干扰在实际传导应用中几乎很少出现。
, }" o1 C* |) {5 p

ngwmprsze4b64011534242.jpg

ngwmprsze4b64011534242.jpg
: d1 R( t$ m# Z4 Y3 \
图6:经过防护和去耦以后可以大幅度降低干扰。4 I% e- P0 R: k5 Z9 A5 z

) q' a% ~  g* f* \; B

tx3szwjrlcv64011534342.png

tx3szwjrlcv64011534342.png

9 {  ]9 W. V7 x. X9 w6 O4 w7 v; N图7:完整的DC端口输入防护方案/ A8 Q) t! E, d4 [
第一级为滤波方案,由图B组成,其中C5、C7使用C1812/1nF/2kV的陶瓷电容组成,选用这么大封装主要是由于做涌浪测试时,由于电容并非理想电容,内部有ESR,高压下电容会发热,因此需要较大封装的电容提高流通能力,C6为差模滤波,主要的流通途径有压敏电阻R1以及后级的电解电容等,因此封装C0805,耐压100V即可。# u% w( s' ~* S( K9 K" J
第二级为防护方案,由图A组成,自恢复保险和压敏电阻的流通能力要相当,否则,当保险比压敏流通能力大很多时,有可能出现压敏已经开始严重发热,有可能短路起火,但是保险还没有断开,将会导致起火事故。当压敏比保险流通能力大很多时,正常的干扰脉冲,有可能导致保险断开,电路无法工作。压敏这个位置替代TVS的主要目的是由于相同封装大小的器件,压敏的流通能力比TVS大很多倍,性价比十分突出。
' E( b' o1 I# O* t/ U6 S! m第三级为滤波方案,如图C所示,主要由电容和共模电感组成,由于压敏电阻的响应时间较慢(相对于TVS),为us级别,而后级的TVS响应时间为nS级别,并且前端的压敏主要缺点是防护不精准,有残压,因此需要共模电感阻尼效应,将高频尖峰脉冲削平,然后通过电解电容以及陶瓷电容的泄放通道泄放到负极。
5 g" }  }5 h! O  ~3 R第四级为防护方案,如图D所示,由于前端的压敏响应时间较慢,以及有残压残留,因此该处需要增加TVS进行最后的防护,防止还有过高频率的脉冲进入后级电路,该处TVS使用600W即可。
  E; b, r; d/ z2 J: a9 P" M第五级为滤波方案,如图E,滤波放置于TVS后级,为后级的电源芯片提供最后的滤波已经储能应用。' B+ v& E9 d, I4 p6 r+ ?$ r4 P) A

, \, s- S" j5 l! |五、 总结虽然供应商信誓旦旦宣称磁珠可以通过XXA的电流,很多工程师就深信不疑,但是很容易忽略磁珠的结构缺陷,使用一坨的铁氧体包裹较小的线圈,并且是能耗器件,在高温的环境下,如果发热比散热高很多,很容易会导致发热烧毁。如果读者信心还很足,建议可以解刨一个磁珠,看看内部的线圈大小,能不能应对你需求的电流。/ B5 ]8 X$ }: a6 k7 b& k* y

k0ayreqcd2164011534442.jpg

k0ayreqcd2164011534442.jpg

4 {. R, T9 Y* Z1 L) N& Q6 F7 m- y

qhgqzorow0364011534542.jpg

qhgqzorow0364011534542.jpg

) L5 a# J% u, L: [  ?# Y8 E声明:4 Y* `) C% G( s- S7 e$ S
声明:文章来源网络。本号对所有原创、转载文章的陈述与观点均保持中立,推送文章仅供读者学习和交流。文章、图片等版权归原作者享有,如有侵权,联系删除。投稿/招聘/推广/宣传/技术咨询 请加微信:woniu26a推荐阅读▼
1 i* ]8 p  k) d- W* R( f% V) }/ I电路设计-电路分析
1 O# @7 L3 n! Hemc相关文章
, l1 P1 R# ^# t! ^; f3 r电子元器件/ K* `' o9 z# ~) I$ [
后台回复“加群”,管理员拉你加入同行技术交流群。
回复

使用道具 举报

发表回复

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则


联系客服 关注微信 下载APP 返回顶部 返回列表