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一文详解共模电感道理及选型

  在介绍共模电感之前先介绍扼流圈,扼流圈是一种用来减弱电路里面高频电流的低阻抗线圈。为了提高其电感扼流圈通常有一软磁材料制的核心。共模扼流圈有多个同样的线圈,电流在这些线圈里反向流,因此在扼流圈的芯里磁场抵消。共模扼流圈常被用来压抑干扰辐射,因为这样的干扰电流在不同的线圈里反向,提高系统的EMC。对于这样的电流共模扼流圈的电感非常高。共模电感的电路图如图1所示。

  共模信号和差模信号只是一个相对量,共模信号又称共模噪声或者称对地噪声,指两根线分别对地的噪声,对于开关电源的输入滤波器而言,是零线和火线分别对大地的电信号。虽然零线和火线都没有直接和大地相连,但是零线和火线可以分别通过电路板上的寄生电容或者杂散电容又或者寄生电感等来和大地相连。差模信号是指两根线直接的信号差值也可以称之为电视差。

  对于开关电源而言,如果整流桥后的储能滤波大电容为理想电容,即等效串联电阻为零(忽略所有电容寄生参数),则输入到电源的所有可能的差模噪声源都会被该电容完全旁路或解耦,可是大容量电容的等效串联电阻并非为零。因此,输入电容的等效串联电阻是从差模噪声发生器看进去的阻抗Zdm的主要部分。输入电容除了承受从电源线流入的工作电流外,还要提供开关管所需的高频脉冲电流,但无论如何,电流流经电阻必然产生压降,如电容的等效串联电阻,所以输入滤波电容两端会出现高频电压纹波,高频高压纹波就是来自于差模电流。它基本上是一个电压源(由等效串联电阻导致的)。理论上,整流桥导通时,该高频纹波噪声应该仅出现在整流桥输入侧。事实上,整流桥关断时,噪声会通过整流桥二极管的寄生电容泄露。

  高频电流流入机壳有许多偶然的路径。当开关电源中的主开关管的漏极高低跳变时,电流流经开关管与散热器之间的寄生电容(散热器连接至外壳或者散热器就是外壳)。在交流电网电流保持整流桥导通时,注入机壳的噪声遭遇几乎相等的阻抗,因此等量流入零线和火线。因此,这是纯共模噪声。

  目前已经知道共模信号是两个幅度相等、相位相同的信号,共模信号一般来自电网,共模信号会影响电路板的正常工作,也会以电磁波的形式干扰周围环境。

  既然是用电感来抑制共模信号,那么这肯定和磁场相关。先来介绍通电螺线感,产生的磁场的方向(对于项目应用而言,有些场合比如抑制共模信号而言,不太需要定量的计算,电感产生的磁场以及磁通量的大小,感兴趣的童鞋,这里推荐一本书可以参考,《《开关电源中磁性元器件》》赵修科老师)。对于通电螺线管的磁场方向判断方法为,右手握住螺管,四指指向电流方向,则拇指指向就是磁场方向。接下来介绍一个重要的名词,即磁通。垂直通过一个截面的磁力线总量称为该截面的磁通量,简称磁通。磁力线是通电螺线管产生的,是实际存在的,只是看不见也摸不着,磁力线是一个闭和的回路,对于通电螺线管,磁力线都要经过螺线管内部,磁力线是与磁感应强度B成正比的。如图3所示为通电螺线管产生磁力线的示意图。

  磁通量用F表示,是一个标量,单位为韦伯,代号Wb。磁通量和磁感应强度B以及截面积A的关系为:

  从关系式可以看出,穿过横截面的磁力线越多,磁通量就越大。对于绕在磁芯上的线圈,在其上通电流i,则线圈的电感L可以表示为:

  到此为止,通过上述的简要概述,可以知道,绕在磁芯上的线圈在匝数和电流不变时,磁芯中穿过的磁力线越多,那么磁通量就越大,则相对应的电感量也越大。电感天生的作用就是阻止流过其上电流的变化,其实质是阻止其磁通量的变化。这就是利用共模电感来抑制共模电流的基本原理。

  如图5所示为,共模电流在共模电感上产生的磁感应强度,电流I1产生的磁感应强度为B1,电流I2产生的磁感应强度为B2,两条黄色箭头分别表示电流I1和I2在铁氧体中产生的磁力线产生的磁力线是相加的,故磁通也是相加的,那么电感量就是相加的,电感量越大,对电流的抑制能力就越强。

  对于共模电感如何抑制共模电流用一句话可以解释,即共模电感上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,对共模电流起到抑制作用。

  当两个线圈流过差模电流时,铁氧体磁环中的磁力线相反,导致磁通相互抵消,几乎没有电感量,所以差模信号可以基本无衰减的通过(考虑到电感本身具有一定的电阻)。所以不仅对于开关电源的输入滤波器加共模电感,在走差分信号线时也可以加上共模电感来抑制共模电流,以防止电路误触发等现象。

  根据共模电感的额定电流、直流电阻以及额定频率下阻抗值要求,可以按步骤进行设计:

  扼流圈电感值是用负载(单位:Ohms)除以信号开始衰减时的角频率或以上频率。例如,在50的负载中,当频率达到4000 Hz 或以上时信号开始衰减,则需要使用1.99 mH (50/2×4000))的电感。其相应的共模滤波器构造,如下图6所示:

  1)绕制在线圈磁芯上的导线要相互绝缘,以保证在瞬时过电压作用下线圈的匝间不发生击穿短路。

  3)线圈中的磁芯应与线圈绝缘,以防止在瞬时过电压作用下两者之间发生击穿。

  4)线圈应尽可能绕制单层,这样做可减小线圈的寄生电容,增强线圈对瞬时过电压的而授能力

  共模电感磁芯的选取磁芯时,形状尺寸、适用频段、温升以及价格都要考。

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