1共模電感原理

 

在介紹共模電感之前先介紹扼流圈，扼流圈是一種用來減弱電路里面高頻電流的低阻抗線圈。為了提高其電感扼流圈通常有一軟磁材料制的核心。共模扼流圈有多個(gè)同樣的線圈，電流在這些線圈里反向流，因此在扼流圈的芯里磁場(chǎng)抵消。共模扼流圈常被用來壓抑干擾輻射，因?yàn)檫@樣的干擾電流在不同的線圈里反向，提高系統(tǒng)的EMC。對(duì)于這樣的電流共模扼流圈的電感非常高。共模電感的電路圖如圖1所示。

 

 

共模信號(hào)和差模信號(hào)只是一個(gè)相對(duì)量，共模信號(hào)又稱共模噪聲或者稱對(duì)地噪聲，指兩根線分別對(duì)地的噪聲，對(duì)于開關(guān)電源的輸入濾波器而言，是零線和火線分別對(duì)大地的電信號(hào)。雖然零線和火線都沒有直接和大地相連，但是零線和火線可以分別通過電路板上的寄生電容或者雜散電容又或者寄生電感等來和大地相連。差模信號(hào)是指兩根線直接的信號(hào)差值也可以稱之為電視差。

 

假設(shè)有兩個(gè)信號(hào)V1、V2

 

共模信號(hào)就為（V1+V2）/2

 

差模信號(hào)就為：對(duì)于V1 （V1-V2）/2；對(duì)于V2 -（V1-V2）/2

 

共模信號(hào)特點(diǎn)：幅度相等、相位相同的信號(hào)。

 

差模信號(hào)特點(diǎn)：幅度相等、相位相反的信號(hào)。

 

如圖2所示為差模信號(hào)和共模信號(hào)的示意圖。

 

 

圖2差模信號(hào)和共模信號(hào)示意圖

 

2 差模噪聲和共模噪聲主要來源

 

對(duì)于開關(guān)電源而言，如果整流橋后的儲(chǔ)能濾波大電容為理想電容，即等效串聯(lián)電阻為零（忽略所有電容寄生參數(shù)），則輸入到電源的所有可能的差模噪聲源都會(huì)被該電容完全旁路或解耦，可是大容量電容的等效串聯(lián)電阻并非為零。因此，輸入電容的等效串聯(lián)電阻是從差模噪聲發(fā)生器看進(jìn)去的阻抗Zdm的主要部分。輸入電容除了承受從電源線流入的工作電流外，還要提供開關(guān)管所需的高頻脈沖電流，但無論如何，電流流經(jīng)電阻必然產(chǎn)生壓降，如電容的等效串聯(lián)電阻，所以輸入濾波電容兩端會(huì)出現(xiàn)高頻電壓紋波，高頻高壓紋波就是來自于差模電流。它基本上是一個(gè)電壓源（由等效串聯(lián)電阻導(dǎo)致的）。理論上，整流橋?qū)〞r(shí)，該高頻紋波噪聲應(yīng)該僅出現(xiàn)在整流橋輸入側(cè)。事實(shí)上，整流橋關(guān)斷時(shí)，噪聲會(huì)通過整流橋二極管的寄生電容泄露。

 

高頻電流流入機(jī)殼有許多偶然的路徑。當(dāng)開關(guān)電源中的主開關(guān)管的漏極高低跳變時(shí)，電流流經(jīng)開關(guān)管與散熱器之間的寄生電容（散熱器連接至外殼或者散熱器就是外殼）。在交流電網(wǎng)電流保持整流橋?qū)〞r(shí)，注入機(jī)殼的噪聲遭遇幾乎相等的阻抗，因此等量流入零線和火線。因此，這是純共模噪聲。

 

3 共模電感如何抑制共模信號(hào)

 

目前已經(jīng)知道共模信號(hào)是兩個(gè)幅度相等、相位相同的信號(hào)，共模信號(hào)一般來自電網(wǎng)，共模信號(hào)會(huì)影響電路板的正常工作，也會(huì)以電磁波的形式干擾周圍環(huán)境。

 

既然是用電感來抑制共模信號(hào)，那么這肯定和磁場(chǎng)相關(guān)。先來介紹通電螺線感，產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向（對(duì)于項(xiàng)目應(yīng)用而言，有些場(chǎng)合比如抑制共模信號(hào)而言，不太需要定量的計(jì)算，電感產(chǎn)生的磁場(chǎng)以及磁通量的大小，感興趣的童鞋，這里推薦一本書可以參考，<<開關(guān)電源中磁性元器件>>趙修科老師）。對(duì)于通電螺線管的磁場(chǎng)方向判斷方法為，右手握住螺管，四指指向電流方向，則拇指指向就是磁場(chǎng)方向。接下來介紹一個(gè)重要的名詞，即磁通。垂直通過一個(gè)截面的磁力線總量稱為該截面的磁通量，簡稱磁通。磁力線是通電螺線管產(chǎn)生的，是實(shí)際存在的，只是看不見也摸不著，磁力線是一個(gè)閉和的回路，對(duì)于通電螺線管，磁力線都要經(jīng)過螺線管內(nèi)部，磁力線是與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比的。如圖3所示為通電螺線管產(chǎn)生磁力線的示意圖。

 

圖3 螺線管磁力線

 

如圖4所示為，穿過某一截面的磁通

 

圖4 穿過截面的磁通

 

磁通量用F表示，是一個(gè)標(biāo)量，單位為韋伯，代號(hào)Wb。磁通量和磁感應(yīng)強(qiáng)度B以及截面積A的關(guān)系為：

 

F=BA

 

從關(guān)系式可以看出，穿過橫截面的磁力線越多，磁通量就越大。對(duì)于繞在磁芯上的線圈，在其上通電流i，則線圈的電感L可以表示為：

 

L=NF/i

 

N為線圈匝數(shù)。

 

到此為止，通過上述的簡要概述，可以知道，繞在磁芯上的線圈在匝數(shù)和電流不變時(shí)，磁芯中穿過的磁力線越多，那么磁通量就越大，則相對(duì)應(yīng)的電感量也越大。電感天生的作用就是阻止流過其上電流的變化，其實(shí)質(zhì)是阻止其磁通量的變化。這就是利用共模電感來抑制共模電流的基本原理。

 

如圖5所示為，共模電流在共模電感上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，電流I1產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1，電流I2產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2，兩條黃色箭頭分別表示電流I1和I2在鐵氧體中產(chǎn)生的磁力線，可以看出電流I1和I2產(chǎn)生的磁力線是相加的，故磁通也是相加的，那么電感量就是相加的，電感量越大，對(duì)電流的抑制能力就越強(qiáng)。

 

圖5共模電流在共模電感上的磁通分布

 

對(duì)于共模電感如何抑制共模電流用一句話可以解釋，即共模電感上流過共模電流時(shí)磁環(huán)中的磁通相互疊加，從而具有相當(dāng)大的電感量，對(duì)共模電流起到抑制作用。

 

當(dāng)兩個(gè)線圈流過差模電流時(shí)，鐵氧體磁環(huán)中的磁力線相反，導(dǎo)致磁通相互抵消，幾乎沒有電感量，所以差模信號(hào)可以基本無衰減的通過（考慮到電感本身具有一定的電阻）。所以不僅對(duì)于開關(guān)電源的輸入濾波器加共模電感，在走差分信號(hào)線時(shí)也可以加上共模電感來抑制共模電流，以防止電路誤觸發(fā)等現(xiàn)象。

 

4共模電感選取

 

根據(jù)共模電感的額定電流、直流電阻以及額定頻率下阻抗值要求，可以按步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：

 

1 根據(jù)阻抗值計(jì)算最小電感值

 

2 選擇共模電感磁芯材料以及磁芯尺寸

 

3 確定線圈匝數(shù)

 

4 選擇導(dǎo)線

 

共模電感最小電感值計(jì)算公式：

 

 

Xl為頻率為f時(shí)的阻抗值

 

扼流圈電感值是用負(fù)載（單位：Ohms）除以信號(hào)開始衰減時(shí)的角頻率或以上頻率。例如，在50Ω的負(fù)載中，當(dāng)頻率達(dá)到4000 Hz 或以上時(shí)信號(hào)開始衰減，則需要使用1.99 mH （50/2π×4000））的電感。其相應(yīng)的共模濾波器構(gòu)造，如下圖6所示：

 

 

選擇所需濾波的頻段，共模阻抗越大越好，因此在選擇共模電感時(shí)需要看器件資料，主要根據(jù)阻抗頻率曲線選擇。

 

電感量計(jì)算出來后和普通設(shè)計(jì)電感一樣，在此就不詳細(xì)展開。

 

自己在繞制電感時(shí)要注意些事項(xiàng)，

 

1）繞制在線圈磁芯上的導(dǎo)線要相互絕緣，以保證在瞬時(shí)過電壓作用下線圈的匝間不發(fā)生擊穿短路。

 

2）當(dāng)線圈流過瞬時(shí)大電流時(shí)，磁芯不要出現(xiàn)飽和。

 

3）線圈中的磁芯應(yīng)與線圈絕緣，以防止在瞬時(shí)過電壓作用下兩者之間發(fā)生擊穿。

 

4）線圈應(yīng)盡可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強(qiáng)線圈對(duì)瞬時(shí)過電壓的而授能力

 

共模電感磁芯的選取磁芯時(shí)，形狀尺寸、適用頻段、溫升以及價(jià)格都要考慮，常用的磁芯為U型、E型和環(huán)形。

 

相對(duì)而言，環(huán)形磁芯比較便宜，因?yàn)榄h(huán)形只有一個(gè)就可制作。而其他形狀的磁芯必須有一對(duì)才能為共模電感所用，且在成型時(shí)，考慮兩磁芯的配對(duì)問題，還須增加研磨工序才能得到較高的磁導(dǎo)率，對(duì)于環(huán)形磁芯卻不需如此；

 

與其它形狀磁芯相比環(huán)形磁芯有較高的有效磁導(dǎo)率，因?yàn)閮膳鋵?duì)磁芯在裝配時(shí)，無論怎樣作業(yè)都不可消除氣隙的現(xiàn)象，故有效磁導(dǎo)率比單一封閉形磁芯要低。但環(huán)形磁芯繞線成本較高，因其他形狀磁芯有一配套線架在使用，繞線可以機(jī)器作業(yè)，而環(huán)形磁芯只可以手工作業(yè)或機(jī)器（速度較低）作業(yè)；且磁環(huán)孔徑小，機(jī)器難以穿線，需要人工去繞，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，加工成本高，效率低；安裝不便，若是加底座，則成本會(huì)上升。綜合性能比起來，磁環(huán)性能較好，價(jià)格也較高。因?yàn)槌杀镜囊蛩?，磁環(huán)大多用在大功率的電源上。

 

當(dāng)然因?yàn)轶w積小，對(duì)體積有要求的小功率電源，可以采用磁環(huán)磁芯。對(duì)于主要作用是濾除低頻噪聲的共模電感，應(yīng)當(dāng)選用高磁導(dǎo)率的錳鋅鐵氧體磁芯；相反，應(yīng)該選用適用于高頻的鎳鋅鐵氧體磁芯或磁粉芯磁芯。通常適用于高頻的磁芯，因其具有分布式氣隙，故磁導(dǎo)率相對(duì)較低，二者不可兼得。不過，與普通電感器不同的是，共模電感的作用是對(duì)噪聲信號(hào)形成較大的插入損耗，以減小噪聲干擾。錳鋅鐵氧體在高頻時(shí)，雖然其有效磁導(dǎo)率很小，但磁芯損耗隨頻率增加而增大，對(duì)高頻噪聲有較大的阻礙作用，所以也能減弱高頻干擾，只是效果相對(duì)較差。然而，較大的磁芯損耗會(huì)導(dǎo)致磁芯發(fā)熱，而損耗較小的磁芯價(jià)格也較高。

 

 

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