共模电感浅谈

共模电感浅谈

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目录

1.共模电感简介 (3)

2.共模电感用于EMI滤波器 (4)

2.1噪声测量方法 (4)

2.2滤波器电路结构分析 (4)

2.3滤波器元器件参数计算 (6)

2.4共模电感的差模电感 (7)

3.共模电感的寄生参数 (9)

3.1寄生电容C1、C2 (9)

3.2电感L LK、L C (11)

3.3等效电阻R C、R W (11)

4.磁芯材料与共模电感磁芯选型 (12)

4.1铁氧体磁芯 (12)

4.2磁粉芯与高磁通磁粉芯 (12)

4.3共模电感磁芯选型 (13)

5.共模电感的设计流程 (14)

6.共模电感安规管控 (15)

1. 共模电感简介

共模电感，也叫扼流圈，常用在开关电源中过滤共模的电磁干扰信号。共模电感是一个以铁氧体等为磁芯的共模干扰抑制器件，它由两个尺寸相同，匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上，线圈的绕制方向相反，形成一个四端器件。当两线圈中流过差模电流时，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以忽略不计的工作频率下小漏感的阻尼，所以差模信号可以无衰减地通过，如图1-1所示；而当流过共模电流时，磁环中的磁通相互叠加，从而具有相当大的电感量，线圈即呈现出高阻抗，产生很强的阻尼效果，达到对共模电流的抑制作用。因此共模电感在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号，而对线路正常传输的差模信号无影响。

图1-1 差模信号通过共模线圈

2. 共模电感用于EMI 滤波器

对理想的电感模型而言，当线圈绕完后，所有磁通都集中在线圈的中心内。但通常情况下环形线圈不会绕满一周，或绕制不紧密，这样会引起磁通的泄漏。共模电感有两个绕组，其间有相当大的间隙，这样就会产生磁通泄漏，并形成差模电感，因而共模电感对差模噪声也有抑制作用。实际应用中，共模电感常和X 电容、Y 电容组成EMI 滤波器，滤除差模噪声和共模噪声。

2.1 噪声测量方法

图2-1所示为典型的噪声测量结构图，噪声的测量主要通过LISN 来实现。L ISN 是指线路阻抗稳定网络，是传导型噪声测量的重要工具。

图2-1 噪声测量结构图

其内部结构如图2-1中虚线框内所示，高频时，电感相当于断路，电容短路，低频时相反。

LISN 的作用为隔离待测试的设备和输入电源，滤除由输入电源线引入的噪声及干扰，并且在50Ω电阻上提取噪声的相应信号值送到接收机进行分析。

共模负载阻抗为25Ω，差模负载阻抗为100Ω，测量到的噪声电压如式（2-1）（2-2）所示：

dm cm L I I V ⨯+⨯=5025（2-1）

dm cm N I I V ⨯-⨯=5025（2-2）

V L 扫描和V N 扫描分别都要求满足限值要求。

2.2 滤波器电路结构分析

由X 电容、共模电感和Y 电容组成的滤波器如图2-2所示：

图2-2 EMI 滤波器电路图

2.2.1 共模等效电路

图2-3为滤波器的共模等效电路图，由于C X 对于共模噪声不起作用，故将其略去，并且以接地点G 为对称点将电路对折。其等效共模电感量为L C ，两个C Y 的等效电容值因并联变成原先的两倍，LISN 提供的两个50Ω的电阻负载也并联成为25Ω的等效负载。这个25Ω的等效负载阻抗可以看作滤波器的负载阻抗，其值相对较小，而通常情况下共模噪声源阻抗Z CM 一般较大，在满足CM Y

Z C <<ω21和Ω>>25C L ω的条件下，阻抗失配极大化，从而滤波器对于共模噪声的插入损耗也尽可能大。

图2-3 共模等效电路图

容易看出此等效电路为LC 二阶低通滤波电路，其转折频率为

Y

C RCM C L f 221⋅=π （2-3） 其插入损耗随着噪声频率以40dB/dec 的斜率增加。

2.2.2 差模等效电路

与上面共模等效电路分析的方法相类似，等效差模电感量为2L D ， LISN 提供的两个50Ω的电阻负载也串连成为100Ω的负载阻抗。两个C Y 的等效电容值因串联变为原来的一半，但由于差模噪声源阻抗Z CM 一般较小，通常满足DM Y

Z C >>ω2 ，因此可将Y 电容忽略。由此得到简化的差模等效电路图，如图2-4所示。

图2-4 差模等效电路图

在满足DM D Z L >>ω和Ω<<1001X

C ω的条件下，阻抗失配极大化，滤波器对于差模噪声的插入损耗也尽可能大。与共模等效电路一样，这也是LC 二阶低通滤波电路，其转折频率为：

X

D RCM C L f ⋅=π21 （2-4） 其插入损耗随着噪声频率也是以40dB/dec 的斜率增加。

2.3 滤波器元器件参数计算

基于以上的分析，可以计算相应的滤波器元器件参数。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，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C Y 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C Y 后，利用已经得到的转折频率f RCM ，可以通过式（2-3）计算出所需共模电感量为：

Y RCM C C f L 21212⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=π（2-5）

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C X 之后,差模电感值可通过式（2-4）计算出所需差模电感量为：

X RDM D C f L 1212

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=π（2-6）

2.4 共模电感的差模电感

将共模电感的一个线圈短路，测量另外一个线圈的电感，或者短接一对同名端，测另一对同名端的电感，即为两个线圈的差模电感之和。那么各个线圈的差模电感分别是多少呢？

共模电感的磁通并不是完全封闭在磁芯内，有部分泄露在空气中。设磁芯中的磁场强度为H ，空气中的磁场强度为H ’；磁芯的磁导率为μ，空气的磁导率为'μ，应有'μμ>>；磁芯的横截面节为S 、磁路长度为l ，假设空气中磁通均匀分布在面积为S ’、磁路长度为l ’的空间中，不妨假设S=S ’，l=l ’。

由安培环路定理有⎰

=NI Hdl ，N 为共模电感的匝数，即 NI l H Hl =+'（2-7）

又()S H HS N LI ''μμ+=（2-8） 其中I HS N L C μ=，I

S H N L D ''μ=（2-9） 由（2-7）（2-8）可得''μμμ--=l NI NS LI H ，'

'μμμ--=NS LI l NI H （2-10） 将（2-10）带入（2-9），可得l

S N L l N NS L S N L C )'(''''2μμμμμμμμμμμ---=--=（2-11）， L l S N NS L l N S

N L D '')'('''2μμμμμμμμμμμ---=--=（2-12），