共模电感设计

共模电感设计

选择共模滤波电感规格不是一件困难和令人困惑的事情。用一个标准滤波器平面图可以用来实现一个相对简单直接的设计过程。预设的平面模型滤波器元件参数很容易被修改，从而，达到符合设计要求。

常规共模电感

线性滤波器防止过度的噪声从AC线传导到正在工作的电子设备。通常AC线为防护的重点。

图示-1所示，共模滤波器与AC线之间接阻抗匹配电路，后面再接开关变换器。共模噪声（大地为参考在两根线上同时产生的噪声大小相等方向相同）的方向是从负载流向滤波器，流向两条AC线上的共模噪声已经被充分地衰减了。其结果是从滤波器输出到AC线的共模噪声经过阻抗匹配电路衰减得非常微弱了。

共模滤波器的设计本质上是设计两个相同的差分滤波器，每个分别作用于同一个磁心，两边耦合的是两个极性一致的电感。对于一个差分输入电流(从(A)到(B)通过L1和从(B)到(A)通过L2)，两电感间的磁通（大小相等方向相反）耦合为零。

任何电感通过差模信号时，两个扼流圈未能耦合。它们作为独立的元件，只有漏感响应差模信号：这个漏感会衰减差模信号。

当电感L1和L2，通过相对于大地方向相同的完全一样的信号（共模型号），每个扼流圈在同一个磁心上出力的是非零磁通。对于共模信号电感作为独立的元件运行相互间产生互感：互感的作用使共模信号变弱。

第一阶滤波器

最简单、最昂贵的滤波器设计是一阶滤波器。这种类型的滤波器采用单一的电抗结构存储某一频率段的能量，使这些能量未能传递出去。就一个低通共模滤波器来说，一个共模电感的电抗元件会被采用。

所要求扼流圈的电感量可以简单地采取负载电阻除以衰减频率（包含以上频率）的角频率。譬如，要衰减4000Hz以上的频率到50Ω的负载里面需要一个1.99mH(50/ (2π×4000) )的电感。由此产生共模滤波器结构如图示-3：

在4000Hz的衰减将是3dB，并以6dB每倍频程增加。因为主要的电感依赖的一阶滤波器，实际变化中，扼流圈电感是必须被考虑的。例如，正常电感测量误差为±20%，那个在4000Hz频率名义上的3dB，实际衰减得频率范围从3332Hz到4999Hz。这是共模电感的典型电感值被指定的一个最低要求，从而保证这个交叉频率不被改变太高。然而，一些情况应该观察到选择扼流圈作一阶低通滤波器可能限制阻塞一些有用的衰减，因为用了一个较高于典型值或极小值的电感。

二阶滤波器

一个二阶滤波器使用了两个电抗部分。比第一阶滤波器有两个优势：⑴理论上，在截点频率以后，一个二阶滤波器有12dB每倍频程（4倍于一阶滤波器）的衰减量。⑵在电感谐振频率以上提供了更大的衰减。（参见图示-4）

图示-4 分析一个二阶（两极）共模低通滤波器

设计一个二阶滤波器需要更多的关心和分析比一阶滤波器获得一个合适的拐角频率。但是正如与前面所述，在更高的频率则极少的被关注。其中的一个关键因素高阶滤波器运行在拐角频率是衰减特性。假设紧密耦合的滤波器元件和合理耦合的扼流圈本身（理想的条件），拐角频率附件增益可能非常大（几个dB）。此外，这个时间响应将是缓慢和振荡的。另一方面，在交叉点增益衰减可能比前面推测的3dB还小。提供一个良好的瞬态响应，但频率响应接近和低于拐角频率可能会低于最佳的0dB平面。在设计一个二阶滤波器，用阻尼因子（通常所指的希腊字母泽塔（ζ））将拐角频率增益和滤波器响应时间两者作图描述。如图示-5所示，增益与频率不同的值的阻尼因子的归一化图。

随着阻尼因子变小，拐角频率的增益会很大，理想的为0dB平面，阻尼因子会导致增益无限增大。实际使用的元件固有的寄生现象减少了期望达到的理想元件的增益。但是截止的频率响应，在临界截点的几个倍频程之内是依然有效的一个理想滤波器参数函数（即：频率、电容值、电感值、电阻）。

对于某些类型的滤波器，设计和阻尼特性可能需要维护来满足特定的性能要求。不管怎样，对于许多实际线路的滤波器，一个阻尼系数约为1或更大和截止频率大约在1倍频程以内的理论计算应该能提供相匹配的滤波器。

图示-5 二阶滤波器频率响应各种阻尼因数

下面是一个例子，一个二阶低通滤波器的设计：

⑴识别要求的截止频率：

在这个例子，假设有一个开关电源（用于设备包括UL478），其预定的应用在60KHz实际值为24dB噪声比是允许的。对于一个二阶滤波器（12dB/倍频程频率响应下降）所需的拐角频率是15KHz。

⑵在截止频率确定负载电阻：假设RL=50Ω

⑶选择所需的阻尼系数：

在拐角频率，选择一个最低的0.707阻尼系数将提供3dB的衰减，同时滤波器振荡被很好的控制。

⑷计算所需的元件值：

⑸选择实际可用的元件值：

C=0.05uF（最大的标准电容器值将满足泄漏电流要求UL478/CSA C22.2NO.1：从设计减少了300%）

L=2.1mH(比设计值约大于300%弥补减少或电容值：Coilcraft标准部分#E3493-A)

⑹计算实际频率、阻尼系数和衰减量选择元件值：

图示-4滤波器元件参数最后计算的结果是：L=2.1mH；C=0.05mF；R L=50Ω。

注意：阻尼因子大于1可能会引起较低的频率高得令人无法接受的衰减，而一个阻尼系数远低于0.707可能会导致非正常振荡和滤波器本身可能会产生噪音。

三阶滤波器

一个三阶滤波器理想情况下在截点频率产生18dB/倍频程以上的衰减量（或截点如果三个拐角频率不同步）。这是高阶滤波器显著的积极方面的特点。主要的缺点是现在需要三个电抗部分元件增加了成本。高于三阶滤波器通常成本上不划算。

图示-6 分析一个三阶滤波器（三极点）低通滤波器

式中ω1,ω2,ω4出现在相同的-3dB频率的ω0

设计一个普通滤波器是很容易完成的，使用标准的阵列如巴特沃斯（最大地）阵列。图示-6所示，对于一个三阶低通滤波器巴特沃斯阵列的一般的分析和元件组成分析。巴特沃斯阵列提供一个固有的ζ为0.707和在交叉频率点具有-3dB的衰减量。对于首个三阶低通滤波器巴特沃斯阵列，参见图示-7.

一个滤波器的设计不需要精确地遵守巴特沃斯阵列（尽管这种阵列为设计提供了一个号的依据）。此外，因为电子设备泄漏电流的限制（因而限制了对地滤波电容的数量）。通常必须要求对阵列调整，但是大家执行起来非常简单，如下所示：

⑴首先设计一个二阶的低通滤波器，使阻尼系数ζ≥0.5

⑵添加一个第三极（所需的拐角频率）在二阶滤波器与负载噪声之间串联一个电感：

L=R/(2πfc)

这个fc就是拐角频率。