共模电感浅谈

共模电感浅谈I共模电感浅谈存储与多媒体产品线彭浩版本历史版本/状态责任人起止日期备注1.0/草稿彭浩2013-01-042013-02-06小组内部讨论共模电感浅谈II目录1.共模电感简介......................................................................................................................32.共模电感用于EMI滤波器...................................................................................................42.1噪声测量方法......................................................................................................................42.2滤波器电路结构分析...........................................................................................................42.3滤波器元器件参数计算.......................................................................................................62.4共模电感的差模电感...........................................................................................................73.共模电感的寄生参数...........................................................................................................93.1寄生电容C1、C2.................................................................................................................93.2电感LLK、LC.....................................................................................................................113.3等效电阻RC、RW.............................................................................................................114.磁芯材料与共模电感磁芯选型...........................................................................................124.1铁氧体磁芯.......................................................................................................................124.2磁粉芯与高磁通磁粉芯.....................................................................................................124.3共模电感磁芯选型............................................................................................................135.共模电感的设计流程.........................................................................................................146.共模电感安规管控.............................................................................................................15共模电感浅谈第3页，共15页深圳市普联技术有限公司版权所有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共模电感浅谈第4页，共15页深圳市普联技术有限公司版权所有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。LISN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：dmcmLIIV5025（2-1）dmcmNIIV5025（2-2）VL扫描和VN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：共模电感浅谈第5页，共15页深圳市普联技术有限公司版权所有图2-2EMI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CX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LC，两个CY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ZCM一般较大，在满足CMYZC21和25CL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YCRCMCLf221（2-3）其插入损耗随着噪声频率以40dB/dec的斜率增加。共模电感浅谈第6页，共15页深圳市普联技术有限公司版权所有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2LD，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CY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ZCM一般较小，通常满足DMYZC2，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DMDZL和1001XC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：XDRCMCLf21（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。共模电感浅谈第7页，共15页深圳市普联技术有限公司版权所有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fRCM，可以通过式（2-3）计算出所需共模电感量为：YRCMCCfL21212（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CX之后,差模电感值可通过式（2-4）计算出所需差模电感量为：XRDMDCfL1212（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，空气的磁导率为'，应有'；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NIHdl，N为共模电感的匝数，即NIlHHl'（2-7）又SHHSNLI''（2-8）其中IHSNLC，ISHNLD''（2-9）由（2-7）（2-8）可得''lNINSLIH，''NSLIlNIH（2-10）将（2-10）带入（2-9），可得lSNLlNNSLSNLC)'(''''2（2-11），LlSNNSLlNSNLD'')'('''2（2-12），共模电感浅谈第8页，共15页深圳市普联技术有限公司版权所有因为'，所以lSNLLLC''2，LlSNLD''2（2-13），则)('1221LLLLDD，))('1(2121LLLLCC（2-14），由（2-14）式可知，共模电感的两个线圈的共模电感和差模电感感值之差正比于其总电感量之差。由于共模差模噪声产生原因以及传播路径不同，为使共差模噪声互不影响，要求使电路中L现和N线到地回路的阻抗对称，即要求共模电感的两个线圈的共模电感和差模电感相等，因此行业内要求共模电感的两个线圈感值之差尽量小，一般在±5%以内。因为'，在两线圈电感之差不大的情况下，可认为LD1=LD2，因而共模电感单个线圈的差模电感即为测得的漏感的一半。尽管少量的差模电感非常有用，但差模电流流过差模电感会使芯体内的磁通发生