磁珠用于電源輸入端口的缺陷

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。

圖1 ：損壞器件的器件

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。

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：

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。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，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計算對比

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。

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Mhz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，而后級需要防護的電源芯片還有去耦電容，在高頻率的干擾在實際傳導(dǎo)應(yīng)用中幾乎很少出現(xiàn)。

圖6：經(jīng)過防護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。

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是防護不精準(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。

第四級為防護方案，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進行最后的防護，防止還有過高頻率的脈沖進入后級電路，該處TVS使用600W即可。

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。

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。

審核編輯：湯梓紅