共模扼流圈在开关电源中的应用

共模扼流圈在开关电源中的应用

摘要:

本文阐述了对共模扼流圈的工作原理及使用方法,及其在开关电源中的应用与实现。

我们经常采用共模扼流的方法可以抑制外界的噪声干扰,但是目前现有的共模扼流圈(这里指的是开关电源中所用的共模扼流圈,不考虑经过调制解调的)多数都是采用同轴电缆在变压器的铁心上绕制而成,为了获得较大的电感值,就要尽量多绕制才能取得足够的电感值。本文则介绍共模扼流圈在开关电源中的应用。

关键词:开关电源;电磁干扰;共模扼流圈；合成扼流圈;共模电感

引言：

由于功率开关管的高速开关动作,开关电源会产生较强的电磁干扰( EMI) 信号。为了抑制开关电源对外电磁噪声和外界对内电磁干扰,使得产品能够满足相关EMC 标准,有必要在开关电源输入线上添加额外的EMI 滤波器。尤其对于车用DC/ DC 变换器的控制器来说,周围电磁环境相当恶劣,所应遵循的整车及零部件EMC 标准也很严格,因此必须在控制器电源输入线上添加EMI 滤波器,使其满足相关EMC 标准。传统的EMI 滤波器一般由共模电感、差模电感和电容等分立元件组成,元件数量多,体积大。分立元件较长的引线造成的分布电感和分布电容对滤波特性有很大的影响。而共差模合成扼流圈利用两个不同特性的磁芯将共模电感和差模电感集成在一起,替代分立的共模电感与差模电感,可以使滤波器尺寸和性能上得到进一步的改善。

正文：

1、共模扼流圈的简介：

共模电感(Common mode Choke)，也叫共模扼流圈，是在一个闭合磁环上对称绕制方向相反、匝数相同的线圈。理想的共模扼流圈对L（或N）与E 之间的共模干扰具有抑制作用，而对L 与N 之间存在的差模干扰无电感抑制作用。但实际线圈绕制的不完全对称会导致差模漏电感的产生。信号电流或电源电流在两个绕组中流过时方向相反，产生的磁通量相互抵消，扼流圈呈现低阻抗。共模噪声电流（包括地环路引起的骚扰电流，也处称作纵向电流）流经两个绕组时方向相同，产生的磁通量同向相加，扼流圈呈现高阻抗，从而起到抑制共模噪声的作用。

共模电感实质上是一个双向滤波器：一方面要滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面

又要抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。

共模扼流圈可以传输差模信号，直流和频率很低的差模信号都可以通过，而对于高频共模噪声则呈现很大的阻抗，所以它可以用来抑制共模电流骚扰。

2. 共模扼流圈工作原理及插入损耗特性（或称阻抗特性）：

2.1工作原理：

共模电感扼流圈是开关电源、变频器、UPS电源等设备中的一个重要部分。其工作原理：当工作电流流过两个绕向相反线圈时，产生两个相互抵消的磁场H1、H2 ，此时工作电流主要受线圈欧姆电阻以及可忽略不计的工作频率下小漏电感的阻尼。如果有干扰信号流过线圈时，线圈即呈现出高阻抗，产生很强的阻尼效果，达到衰减干扰信号作用。

2.2 插入损耗特性：

共模扼流圈插入损耗特性是由其在干扰频谱下的阻抗特性来衡量的。

当频率范围为0.01~1MHZ时，阻抗主要取决于线圈电感L。

当频率范围为1~10MHZ时，阻抗主要取决于绕组分布电容CK。

当频率范围为>10MHZ时，阻抗与绕组电容、主回路电感、漏电感和磁芯铁损与铜损所组成的并联电路有关（ZS为等效阻抗）。

2、共模电感

共模电感本质上是一种匝数比为1∶1 的变压器,只是接入回路的方式不同。图1 为共模电感的电路符号图与结构图,绕组方向以及磁场强度的方向如图1 所示。

共模电流经过共模电感时产生的磁通互相叠加,由L = Ψ/ I 可知共模电感量也相应增加。而差模电流经过共模电感时情况则相反,磁通互相抵消,因此差模电感量很小,几乎为零。理论上共模电感对于共模电流表现为高阻抗,对差模电流表现为零阻抗,主要用来抑制共模噪声干扰。共模电感通常采用干扰抑制专用的铁氧体材料作为磁芯。差模电感就是单个电感,差模电感中流过的工作电流容易使磁通饱和,从而使该电感对差模噪声电流呈现不出电感而达不到滤波效果,因此差模电感的磁芯选择不易饱和的磁粉芯。传统的扼流圈由分立的共模电感与差模电感连接而成,因此其较长引线造成的分布电感和分布电容对滤波特性有很大的影响,所以本文采用一种新型合成扼流圈来替代分立的共模电感与差模电感。

4、元器件的参数计算

4.1 基于以上的分析,我们可以计算相应的元器件参数。由于设计要求为输入交流220V，输出5V，200W；开关振荡频率40Khz；pwm调制方式，控制芯片自选。

所以首先根据测得的原始共模与差模噪声,决定需要衰减的噪声频率段与衰减量,求得共差模滤波器的转折频率,然后计算滤波器各个元件的参数。在计算元件参数时,我们应该注意,由于滤波器电感电容值越大,其转折频率越低,对噪声的抑制效果越好,但同时成本和体积也相应增加。而且由材料特性可知,当电感电容值越大时,可持续抑制噪声的频率范围也相对变窄,因此其值不可以取得无限大。考虑到电容对于体积的影响较电感小,而且市场上出售的电容器都有固定的电容值,与电感值相比缺乏弹性,故在决定电感电容值时,应优先考虑电容。在计算共模元器件参数时,由于电容CY 受安规限制,其值不能太大,应该选择符

合安规的最大值。选取CY 后, 利用已经得到的转折频率f RCM ,可以通过式(1) 计算出所需共模电感量为LC =12πf RCM2 12CY而在计算差模元器件参数时,电感与电容值的选择弹性较大。在决定差模电容值CX 之后,差模电感值可通过式(2) 计算出所需差模电感量为LD =12πf RDM2 1CX同时滤波器元件值的选择应考虑对滤波器电路本身造成的影响,比如稳定性等。

4.2 根据设计要求计算

4.2.1.计算LI2

LI2=0.01xd=1.13 =0.25

按表1选择铁芯，并计算选择EI26×28，铁芯体积V=108代入下式:

然后找到23×，并找到对应的H值为40。

4.2.2.计算线圈匝数

因为H==40 所以N==125圈

4.2.3.计算导线直径d

=1.35 mm 按线规表选择QE-1.32 漆包线。

4.2.4.表一中所列的铁芯系列，是变压器厂常用的规格，一般都配有塑料骨架，本例中QE-1.32漆包线绕125圈，正好能绕在EI-26×28的骨架上，线圈厚度为10mm。

4.2.

5.平均匝长lo：lo=2×(29+31)+10π=151 mm

4.2.6.导线总长L：L=Nlo=125×0.151=18.9m

4.2.7.直流电阻R20：

4.2.8.电压降Ur：Ur=IR20=5×0.242=1.21V

此电压降Ur接近并小于预定值1.5V，比较合适。如果计算Ur值大于预定值。则应重选大一号的铁芯。减少圈数，增大导线直径。如果客户对Ur未提出要求。也应以表一提供的电流密度J计算导线直径，若设计时J取得偏高，则导线偏细，线包温升就会偏高。

4.2.9.空气隙lg

在图3的曲线上，本例计算正好在两个点0.004~0.005之间，可取0.0045=lg，由于EI型铁芯磁路中要遇到两个空气隙，所以计算

空气隙时应除以2lg==0.35mm