电源入口加磁珠，出事了
最新更新时间：2024-10-08
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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。
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。
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。
图1 ：损坏器件的器件
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。
图2 ：使用示波器余晖功能抓到的波形
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。
图3 ：磁珠示意图（左）、实物图（中）、等效电路图（右）
根据图3,看我们可以推算出磁珠的阻抗计算公式：
将公式展开后得到：
将公式展开后得到：
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。
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。
图4：规格书和matlab计算对比
图5：磁珠的简易模型和复杂模型
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。
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。
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。
图6：经过防护和去耦以后可以大幅度降低干扰。
图7：完整的DC端口输入防护方案
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。
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。
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。
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。
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。
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。
来源：硬件笔记本
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