文章來源：電子工程師筆記
一、 摘要
磁珠主要由鐵氧體及線圈組成，磁珠抑制幹擾的主要原理是利用高頻時通過電阻發熱将幹擾消耗。如果長期處于幹擾強烈的情況下，磁珠有可能過熱燒毀。
二、 問題描述
我們的産品用在工業現場，産品在發貨約1萬台，運作兩個月後，從客戶傳回約10台損壞的裝置，經過研發分析，這些損壞的産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迹，但是前級的保險、TV，後級的電源晶片都沒有損壞。
說明：産品的功耗約24V、0.3A，磁珠的選型為1200Ω/1A/L1206。從選型的規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、電源晶片都沒有損壞，基本上可以排除過流的情況，結合客戶的現場應用，客戶使用DC24V供電，DC24V上同時挂載了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。經過現場工程師的示波器測試，現場捕捉到非常高的浪湧幹擾。在電源端口處最高可以測試到DC57V、60MHZ左右的脈沖幹擾。斷開接觸器後，該幹擾消失，說明是有與接觸器導緻的幹擾。
圖2 ：使用示波器餘晖功能抓到的波形
我們先來了解一下磁珠的内部結構，磁珠由線圈、鐵氧體磁芯和外面的鍍層和封裝構成，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）
根據圖3,看我們可以推算出磁珠的阻抗計算公式：
将公式展開後得到：
将公式展開後得到：
拿村田的磁珠：MPZ1608B471ATA00為例，參數從pdf文檔中知道，R1=470Ω，L1=8.6uH，C1=0.2583pF，R2=0.110Ω。将該參數帶入matlab中進行計算，如圖5所示，兩者對比，規格書的原圖與Matlab繪制的大緻趨勢是一樣的，諧振頻率也相同，不過總體形狀還是差挺大的。那為什麼會這樣呢？這個磁珠的模型稱為簡易模型，既然是簡易的，那就有更複雜的，複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。我分别下載下傳下來簡易模型和複雜模型的SPICE NETLIST，使用txt分别打開檔案。可以看到，簡單模型裡面隻有C1，L1，R1，R2。而複雜模型就複雜多了，C有兩個，L有7個，R有9個。
可以想象到的是，複雜模型的各種寄生參數更多，也更符合實際的器件。規格書中的曲線應該是從複雜模型得出來的。
是以我們實際使用過程，直接使用廠家提供的頻率阻抗曲線圖即可。
圖4：規格書和matlab計算對比
圖5：磁珠的簡易模型和複雜模型
可以想象到的是，複雜模型的各種寄生參數更多，也更符合實際的器件。規格書中的曲線應該是從複雜模型得出來的。是以我們實際使用過程，直接使用廠家提供的頻率阻抗曲線圖即可。
原因分析到這裡，讀者可能已經知道答案了， 就是長期處于強幹擾的情況下，磁珠會一直處于能耗狀态，一緻将高頻幹擾轉換為熱能消耗，如果加上産品處于高溫場景，則溫度會疊加，當長期發熱大約散熱的情況下，磁珠會不斷溫升，最終的後果就是圖1中的磁珠燒毀。
四、 解決方案
設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的高頻幹擾過濾，同時又要考慮幹擾抑制的效果，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，很容易做到數百A，但是壓敏的響應時間最長可達數十nS，高于nS級别的幹擾還是無能為力的。TVS的響應時間可達nS級别，但是TVS的流通能力相對于MOV較小，是以需要在MOV和TVS之間增加共模電感，共模電感和前後端的電容可以構成退耦電路，可以将較高的尖峰脈沖削平，減少TVS的壓力。剩餘的殘壓，可以使用TVS繼續降低，TVS的響應時間為nS級别，理論上可以應對1Ghz的幹擾頻率，而後級需要防護的電源晶片還有去耦電容，在高頻率的幹擾在實際傳導應用中幾乎很少出現。
圖6：經過防護和去耦以後可以大幅度降低幹擾。
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，選用這麼大封裝主要是由于做湧浪測試時，由于電容并非理想電容，内部有ESR，高壓下電容會發熱，是以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以及後級的電解電容等，是以封裝C0805，耐壓100V即可。
第二級為防護方案，由圖A組成，自恢複保險和壓敏電阻的流通能力要相當，否則，當保險比壓敏流通能力大很多時，有可能出現壓敏已經開始嚴重發熱，有可能短路起火，但是保險還沒有斷開，将會導緻起火事故。當壓敏比保險流通能力大很多時，正常的幹擾脈沖，有可能導緻保險斷開，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，成本效益十分突出。
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時間較慢（相對于TVS），為us級别，而後級的TVS響應時間為nS級别，并且前端的壓敏主要缺點是防護不精準，有殘壓，是以需要共模電感阻尼效應，将高頻尖峰脈沖削平，然後通過電解電容以及陶瓷電容的洩放通道洩放到負極。
第四級為防護方案，如圖D所示，由于前端的壓敏響應時間較慢，以及有殘壓殘留，是以該處需要增加TVS進行最後的防護，防止還有過高頻率的脈沖進入後級電路，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後級，為後級的電源晶片提供最後的濾波已經儲能應用。
五、 總結
雖然供應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構缺陷，使用一坨的鐵氧體包裹較小的線圈，并且是能耗器件，在高溫的環境下，如果發熱比散熱高很多，很容易會導緻發熱燒毀。如果讀者信心還很足，建議可以解刨一個磁珠，看看内部的線圈大小，能不能應對你需求的電流。
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