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关于共模电感售后振动跌落失效分析与研究

发布时间:2021-08-19 20:18 

  (Common mode Choke),也叫共模扼流圈,常用于主板的开关电源电路中过滤共模的电磁干 扰信号。在实际的应用中,售后出现脱出本体造成线圈开路从而导致整机不上电问题相对突 出,通过对故障件的分析研究,发现产本材料本身没有问题,跟

  空调主板上混合了各种高频电路、数字电路和模拟 电路,它们工作时会产生大量高频电磁波互相干扰, 这就是EMI。EMI还会通过主板布线或外接线缆向外发 射,造成电磁辐射污染,影响其他的电子设备正常工 作。这时候就需要共模电感(如图1)来进行滤波抑制 这些干扰,而共模电感主要用在开关电路上,一单出 现失效,整机将直接出现不通电情况,造成空调无法 使用。

  售后投诉电感引脚处断的问题严重,导致整机不上 电问题突出,故障率相对较高,电感引脚断问题(如图 2)需研究整改。

  共模电感的滤波电路,L3和L4就是共模电感线个线圈绕在同一铁芯上,匝数和相位都相同(绕制反 向)。这样,当电路中的正常电流流经共模电感时,电 流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵 消,此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量 因漏感造成的阻尼);当有共模电流流经线圈时,由于 共模电流的同向性,会在线圈内产生同向的磁场而增大 线圈的感抗,使线圈表现为高阻抗,产生较强的阻尼效 果,以此衰减共模电流,达到滤波的目的。

  共模电感在空调主板上主要用于开关电源电路(如 图3),开关电源产生的共模噪声频率范围为10 kHz~50 MHz 甚至更高,为了有效衰减这些噪声,共模电感 器采用高磁导率的锰锌铁氧体或非晶材料,以提高共模 电感器性能。

  两电感器中电流产生的磁场方向相反而抵消,这时 正常信号电流主要受电感器电阻的影响(这一影响很 小),以及少量因漏感造成的阻尼(电感),加上220 V交流电的频率只有50 Hz,共模电感器电感量不大,所 以共模电感器对于正常的220 V交流电感抗很小,不影 响交流电对整机的供电。

  共模电流流过共模电感器分析(如图4)。当共模 电流流过共模电感器时,电流由于共模电流在共模电 感器中同方向,共模电感器L3和L4内产生同方向的磁 场,这时增大了共模电感器L3和L4的电感量,也就是 增大了L3和L4对共模电流的感抗,使共模电流受到了 更大的抑制,达到了衰减共模电流的目的,起到了抑制 共模干扰噪声的作用,因此共模电感在电路中特别是开 关电源电路不可缺少,占据重要作用。

  从上图的故障点可以看出,引脚从本体松脱,本体 上无明显的受力撞击痕迹,排除器件加工异常。

  查询生产下线以及售后数据报表发现,此板自生产 以来,均有售后反馈,时间不集中,统计厂内生产下线万,厂内生产过程未出现 同类故障。

  此共模电感位置在主板生产时在板边,但两侧有器 件遮挡,不会导致碰撞;电器盒生产时,钣金件有折边 可以起到保护作用,不会导致碰撞(如图5)。

  设置整机跌落试验进行模拟,发货平台按照2.5 m 对滤波器位置进行跌落,实验2次,测试无异常;按照 整机3 m进行底部受力进行验证,按照正常卸货方式极 限跌落2次,电感出现本体脱落情况。具体跌落情况见 表1。

  根据前面的分析以及验证,可判断共模电感失效为 运输安装过程整机的跌落导致。

  可靠性试验验证:冷热冲击试验,将热熔胶打在 电感下,覆盖引脚部分,实验样品10PCS,5块黄胶5块 白胶,试验条件为-40~80 ℃循环冲击240次,2 h循环1 次,试验结束,10块样品均合格,未出现因为胶热胀冷 缩导致绕组断裂问题、未出现焊接异常,但做整机通电 长期验证时,出现引脚焊锡熔化现象,存在质量隐患, 因此此方案不可行。

  通过加大引进植入深度进行优化,引脚植入深度为 2.5 mm,增加到4 mm,如图6。

  1)振动实验:新旧制品同时安排震动实验(如图 7),频率75 Hz,振幅3.00 mm,时间:6 h。

  2)推力实验:安排新旧制品焊接在板上做推力实 验。对比无明显差别,新旧制品推力均在120 N以上。

  跌落高度:75 cm; 实验平台:地砖;跌落 方向:PCB垂直地面、 上下左右4个边分别朝 下的方向;准备新制品 电感5个、旧制品电感5 个;主板编码1和主板编 码2,两个主板上的新旧 制品跌落结果见表5。

  编码1主板旧制品第3次跌落就断开2个电感,第6次 跌落时,3个电感均已断开。新制品第15次跌落断开2个 电感,第20次跌落3个电感才全部断开。说明新制品电 感可靠性相比旧制品有提高。编码2主板旧制品电感在第3次跌落时2个电感就已 起翘,新制品在第6次跌落时才起翘,新制品相比旧制 品可靠性要高。

  总结:根据以上验证可以看出,新制品电感增加引 脚植入深度从2.5 mm增加到4 mm,引脚植入深度加深 后对产品本身性能无影响,装在主板后电感跌落可靠性 要比旧制品高。

  共模电感在电路中起滤波以及抗电磁干扰作用,一 单售后失效导致线圈开路整机将直接不通电,对于售后 问题失效的研究很有必要,从研究可以发现是物料的抗 跌落性能出了问题,通过增加引脚植入深度可以提高物 料的抗跌落能力,从而解决售后跌落振动导致失效,为 今后的类似器件失效整改提供经验。

  [1] 张德光.高导铁氧体宽频高阻抗共模电感设计[J].磁性材料及器 件,2018(3).

  [2] 李洪珠.一种双磁芯差共模电感集成EMI滤波 器[J].电力电子技术,2016(2).