共模滤波电感原理分析

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1、共模滤波电感器不是电感量越大越好.主要看你要滤除的共模干扰的频率范围,先说一下共 模电感器滤波原理:共模电感器对共模干扰信号的衰减或者说滤除有两个原理,一是靠感抗 的阻挡作用,但是到高频电感量没有了靠的是磁心的损耗吸取作用;他们的综合效果是滤波 的真实效果.固然在低频段靠的是电感量产生的感抗.同样的电感器磁心材料绕制成的电感 器,随着电感量的增加,Z 阻抗与频率曲线变化的趋势是随着你绕制的电感器的电感量的增 加,Z 阻抗峰值电时的频率就会下降,也就是说电感量越高所能滤除的共模干扰的频率越低, 换句话说对低频共模干扰的滤除效果越好,对高频共模信号的滤除效果越差甚至不起作用. 这就是为什么有的滤波

2、器使用两级滤波共模电感器的缘由 一级是用低磁导率(磁导率 7K 以下铁氧体材料甚至可以使用 1000 的 NiZn 材料) 材料作成共模滤波电感器,滤出几十MHz 或更高频段的共模干扰信号,另一级承受高导磁材料(如磁导率 10000h00 的铁氧体材料或着非晶体材料)来滤除 1MHz 以下或者几百kHz 的共模干扰信号.因此首先要确认你要滤除共模干扰的频率范围然后再选择适宜的滤波电感器材料.共模电感的测量与诊断电源滤波器的设计通常可从共模和差模两方面来考虑。共模滤波器最重要的局部就是共模扼流圈，与差模扼流圈相比，共模扼流圈的一个显著优点在于它的电感值极高，而且体积又小，设计共模扼流圈时要考虑的

3、一个重要问题是它的漏感，也就是差模电感。通常，计算漏感的方法是假定它为共模电感的 1%，实际上漏感为共模电感的 0.5% 4%之间。在设计最优性能的扼流圈时，这个误差的影响可能是不容无视的。漏感的重要性漏感是如何形成的呢？严密绕制，且绕满一周的环形线圈，即使没有磁芯，其全部磁通都集中在线圈“芯”内。但是，假设环形线圈没有绕满一周，或者绕制不严密，那么磁通就会从芯中泄漏出来。这种效应与线匝间的相对距离和螺旋管芯体的磁导率成正比。共模扼流圈有两个绕组，这两个绕组被设计成使它们所流过的电流沿线圈芯传导时方向相反，从而使磁场为 0。假设为了安全起见，芯体上的线圈不是双线绕制，这样两个绕组之间就有相当大

4、的间隙，自然就引起磁通“泄漏”， 这即是说，磁场在所关心的各个点上并非真正为 0。共模扼流圈的漏感是差模电感。事实上，与差模有关的磁通必需在某点上离开芯体，换句话说，磁通在芯体外部形成闭合回路，而不仅仅只局限在环形芯体内。假设芯体具有差模电感，那么，差模电流就会使芯体内的磁通发生偏离零点，假设偏离太大，芯体便会发生磁饱和现象，使共模电感根本与无磁芯的电感一样。结果，共模辐射的强度就如同电路中没有扼流圈一样。差模电流在共模环形线圈中引起的磁通偏离可由下式得出：式中，是芯体中的磁通变化量，Ldm 是测得的差模电感，是差模峰值电流，n 为共模线圈的匝数。由于可以通过掌握 B 总，使之小于 B 饱和，

5、从而防止芯体发生磁饱和现象，有以下法则：式中，是差模峰值电流，Bmax 是磁通量的最大偏离，n 是线圈的匝数，A 是环形线圈的横截面积。Ldm 是线圈的差模电感。共模扼流圈的差模电感可以按如下方法测得：将其一引腿两端短接，然后测量另外两腿间的电感，其示值即为共模扼流圈的差模电感。共模扼流圈综述滤波器设计时，假定共模与差模这两局部是彼此独立的。然而， 这两局部并非真正独立，由于共模扼流圈可以供给相当大的差模电感。这局部差模电感可由分立的差模电感来模拟。为了利用差模电感，在滤波器的设计过程中，共模与差模不应同时进展，而应当依据肯定的挨次来做。首先，应当测量共模噪声并将其滤除掉。承受差模抑制网络Di

6、fferential Mode Rejection Network， 可以将差模成分消退，因此就可以直接测量共模噪声了。假设设计的共模滤波器要同时使差模噪声不超过允许范围，那么就应测量共模与差模的混合噪声。由于共模成分在噪声容限以下，因此超标的仅是差模成分，可用共模滤波器的差模漏感来衰减。对于低功率电源系统，共模扼流圈的差模电感足以解决差模辐射问题，由于差模辐射的源阻抗较小， 因此只有极少量的电感是有效的。尽管少量的差模电感格外有用，但太大的差模电感可以使扼流圈发生磁饱和。可依据公式2作简洁计算来避开磁饱和现象的发生。用 LISN 原理测量共模扼流圈饱和特性的方法测量共模线圈磁芯整体或局部的饱

7、和特性通常是很困难的。通过简洁的试验可以看出共模滤波器的衰减在多大程度上受由 60Hz 编置电流引起的电感减小量的影响。进展此项测试需要一台示波器和一个差模抑制网络DMRN。首先，用示波器来监测线电压。按如下方法从示波器的 A 通道输入信号，将示波器的时间基准置为 2ms/div，然后将触发信号加在 A 通道上，在沟通电压到达峰值时会有线电流产生，此时滤波器效能的降级是意料中的事情。差模抑制网络DMRN的输入端连接到 LISN，输出端用 50 的阻抗进展匹配且与示波器的 B 通道相连。当共模扼流圈工作在线性区时，在输入电流波动期间，B 通道监测到的放射增加值不超过 610dB。图 1 为此测试

8、在示波器上显示的结果，上面的曲线为共模放射；下面的曲线为线电压。在线电压峰值期间，桥式整流器正向导通且传送充电电流。图 1 示波器上显示的由于 60Hz 充电电流引起的共模扼流圈的降级假设共模扼流圈到达饱和，那么在输入浪涌增加时，放射将会增加。假设共模扼流圈到达强饱和，放射强度与不加滤波器时的状况是一样的，也就是说很简洁到达 40dB 以上。这些试验数据可用其他方法来解释。放射最小值线电流为 0 的时候是滤波器无偏置电流时表现出来的效果。峰值放射与最小放射的比率，即降级因子，用来衡量线电流偏移量对滤波器实际效果的影响。降级因子较大说明共模扼流圈磁芯完全没有得到恰当的使用，较好的滤波器的“固有降

9、级因子”差不多在 24 之间。它是由两种现象产生的： 第一，60Hz 充电电流引起的电感减小如上所述；其次，桥式整流器的正向及反向导通。共模放射的等效电路由一个阻抗约为 200pF 的电压源、二极管阻抗和LISN 的共模阻抗组成，如图 2 所示。当桥式整流器正向偏置时，在源阻抗、25 和 LISN 共模阻抗之间会产生分压现象。当桥整流器反向偏置时，在源阻抗、整流桥反偏电容、LISN 之间产生分压现象。当二极管整流桥反向偏置电容较小时，对共模滤除有肯定效果。当整流桥正向偏置时则对共模滤除没有影响。图 2 共模辐射等效电路由于产生了分压，固有降级因子的预期值为 2 左右。实际值的变化相当大，主要取

10、决于源阻抗和二极管整流桥反向偏置电容的实际大小。在 Flugan 制造的一个电路中，正是应用这个原理来减小镇流器的传导放射的。用电流原理测量共模扼流圈饱和特性的方法假设测试人员相当慎重，那么就可以实行类似 MIL-STD-461 中的测试装置来检测共模扼流圈的饱和特性。这个原理的应用如下：测试时承受两只电流探头，低频探头监测线电流，高频探头仅测量共模放射电流。线电流监视器作为触发源。不过，使用电流探头的一个隐患是差模电流衰减是管芯内绕组导线对称性的函数。假设细心合理安排绕线布局的话，30dB 左右的差模电流衰减是能够得到的。即使到达这个衰减值， 测得的差模重量也可能超过预期的共模重量值。可用如

11、下两项技术来解决这一问题：第一，将一只 6kHz 转折频率的高阶高通滤波器与示波器串联留意应用50 的终端阻抗进展匹配。其次，在每只10F 的电容与电源总线之间接入一根导线。为了测量共模辐射，电流探头应夹在这些载有微小线电流的导线近旁。共模扼流圈内存在的差模与共模磁通为了快速且浅显地介绍共模扼流圈的作用，可考虑承受以下论述：“共模扼流圈管芯两侧的磁场相互抵消，因此不存在磁通使管芯饱和。”尽管这种论述对共模扼流圈作用的直觉表达具体化了，但实质上并非如此。参考以下围绕麦克斯韦方程所进展的争论：* 假设电流密度 J 产生磁场 H，那么就可得出结论：四周的另一个电流不会抵消或阻挡磁场或者是由此而产生的

12、电场。* 同样一个相邻的电流可以导致磁场路径的转变。* 在环形共模电感的特别场合中，每条引线中的差模电流密度可假定是相等的，且方向相反。所以由此而产生的磁场必定在环形磁芯周边上的总和为 0，而在其外部则不为 0！磁芯的作用就好象它在线圈绕组的间隙处裂为两半时所表现出来的效果一样。每个绕组在环形线圈一半的区域内产生磁场，意指穿过空气的磁场必定会形成自封闭回路，图 3 是环形磁芯和差模电流磁路的示意图。图 3 共模环形磁芯中差模磁路示意图漏感综述共模扼流圈能发挥肯定的作用是由于 cm 比 dm 大好几个数量级的原因，由于共模电流通常很小，可以通过使 L/D 保持在较低值来获得更小的 dm。为了得到

13、共模电感，同时又要使差模电感最小，最好是承受横截面积较大的磁芯绕制成多匝线圈。承受较大的螺旋管磁芯，也并非肯定要这样的磁芯，可在共模扼流圈内并入有效的差模电感。由于差模磁通是远离磁芯环形构造的，因此可能会产生极强的辐射。尤其是滤波器安装在 PCB 板上的状况下，这种辐射可以耦合到电源线，使传导放射增加。当磁性材料被带到场内时例如，环形磁芯放置在铁壳里， 差模磁导率就可能会显著地增加，从而由于差模电流而导致磁芯的饱和。无辐射共模扼流圈构造为了实现有效的滤波器设计，磁通离开磁芯引起的辐射问题必需予以解决。其方法有是将差模磁通限制在磁性构造物体中壶形铁芯，或者是为差模磁通E 形铁芯供给一条高磁导率的

14、路径。壶形铁芯构造假设共模扼流圈承受壶形铁芯构造，那么就需两个绕轴。图 4示意出了壶形铁芯窗格里的两组线圈及其产生的磁通路径。同时也说明白同一构造条件下的差模磁通路径。图 4 共模壶形铁芯电感中的磁路留意第一组，全部的磁通均在铁芯内部。正是由于这种构造， 从铁芯外外表到其中心垂直隔板间的空气隙长度打算了纯磁阻的大小。使用磁导率大于 10 的垫圈后，就可以通过转变垫圈其值等于空气隙长度内外半径的大小来掌握纯磁阻。壶形铁芯的差模电感、共模扼流圈可按如下公式计算：具体尺寸如图 5 所示。图 5 壶形铁芯计算差模电感时的具体尺寸减小差模路径上的磁阻将使差模电感增加。使用这种共模扼流圈的最显著的优点就在于壶形铁芯具有固有的“自屏蔽”特性。E 形铁芯构造另外还有一种共模扼流圈，它比环形磁芯线圈更易绕制，但比壶形铁芯线圈的辐射更厉害，E 形铁芯线圈如图 6 所示。图中说明，共模磁通将外部引线上的两组线圈都联系在一起了。为了获得较高的磁导率，在外部引线上应没有空气隙。另一方面，差模磁通将外部引线和中心引线联系起来。差模路径中的磁导率可以通过使中心引线彼此隔开来取得，中心引线是产生辐射的主要区域