共模電感淺談

1、共模電感淺談I共模電感淺談共模電感淺談存儲與多媒體產(chǎn)品線 彭浩 版版 本本 歷歷 史史版本版本/狀態(tài)狀態(tài)責(zé)任人責(zé)任人起止日期起止日期備注備注1.0/草稿彭浩2013-01-042013-02-06小組內(nèi)部討論共模電感淺談II目錄目錄1.共模電感簡介共模電感簡介.32.共模電感用于共模電感用于 EMI 濾波器濾波器.42.1噪聲測量方法.42.2濾波器電路結(jié)構(gòu)分析.42.3濾波器元器件參數(shù)計算.62.4共模電感的差模電感.73.共模電感的寄生參數(shù)共模電感的寄生參數(shù).93.1寄生電容 C1、C2.93.2電感 LLK、LC.113.3等效電阻 RC、RW.114.磁芯材料與共模電感磁芯選型磁芯材料

2、與共模電感磁芯選型.124.1鐵氧體磁芯.124.2磁粉芯與高磁通磁粉芯.124.3共模電感磁芯選型.135.共模電感的設(shè)計流程共模電感的設(shè)計流程.146.共模電感安規(guī)管控共模電感安規(guī)管控.15共模電感淺談第 3 頁，共 15 頁 深圳市普聯(lián)技術(shù)有限公司 版權(quán)所有1. 共模電感簡介共模電感簡介 共模電感，也叫扼流圈，常用在開關(guān)電源中過濾共模的電磁干擾信號。共模電感是一個以鐵氧體等為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個尺寸相同，匝數(shù)相同的線圈對稱地繞制在同一個鐵氧體環(huán)形磁芯上，線圈的繞制方向相反，形成一個四端器件。當(dāng)兩線圈中流過差模電流時，產(chǎn)生兩個相互抵消的磁場H1、H2，此時工作電流主要受線圈歐姆

3、電阻以及可以忽略不計的工作頻率下小漏感的阻尼，所以差模信號可以無衰減地通過，如圖1-1所示；而當(dāng)流過共模電流時，磁環(huán)中的磁通相互疊加，從而具有相當(dāng)大的電感量，線圈即呈現(xiàn)出高阻抗，產(chǎn)生很強(qiáng)的阻尼效果，達(dá)到對共模電流的抑制作用 。因此共模電感在平衡線路中能有效地抑制共模干擾信號，而對線路正常傳輸?shù)牟钅Ｐ盘枱o影響。圖1-1 差模信號通過共模線圈共模電感淺談第 4 頁，共 15 頁 深圳市普聯(lián)技術(shù)有限公司 版權(quán)所有2. 共模電感用于共模電感用于 EMI 濾波器濾波器對理想的電感模型而言，當(dāng)線圈繞完后，所有磁通都集中在線圈的中心內(nèi)。但通常情況下環(huán)形線圈不會繞滿一周，或繞制不緊密，這樣會引起磁通的泄漏。共

4、模電感有兩個繞組，其間有相當(dāng)大的間隙，這樣就會產(chǎn)生磁通泄漏，并形成差模電感，因而共模電感對差模噪聲也有抑制作用。實際應(yīng)用中，共模電感常和X電容、Y電容組成EMI濾波器，濾除差模噪聲和共模噪聲。2.1 噪聲測量方法噪聲測量方法圖2-1所示為典型的噪聲測量結(jié)構(gòu)圖，噪聲的測量主要通過LISN來實現(xiàn)。L ISN是指線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，是傳導(dǎo)型噪聲測量的重要工具。圖2-1 噪聲測量結(jié)構(gòu)圖其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-1中虛線框內(nèi)所示，高頻時，電感相當(dāng)于斷路，電容短路，低頻時相反。LISN的作用為隔離待測試的設(shè)備和輸入電源，濾除由輸入電源線引入的噪聲及干擾，并且在50電阻上提取噪聲的相應(yīng)信號值送到接收機(jī)進(jìn)行分析。共模負(fù)

5、載阻抗為25，差模負(fù)載阻抗為100，測量到的噪聲電壓如式（2-1）（2-2）所示：（2-1）dmcmLIIV5025（2-2）dmcmNIIV5025VL掃描和VN掃描分別都要求滿足限值要求。2.2 濾波器電路結(jié)構(gòu)分析濾波器電路結(jié)構(gòu)分析由X電容、共模電感和Y電容組成的濾波器如圖2-2所示：共模電感淺談第 5 頁，共 15 頁 深圳市普聯(lián)技術(shù)有限公司 版權(quán)所有圖2-2 EMI濾波器電路圖2.2.1 共模等效電路共模等效電路圖2-3為濾波器的共模等效電路圖，由于CX對于共模噪聲不起作用，故將其略去，并且以接地點(diǎn)G為對稱點(diǎn)將電路對折。其等效共模電感量為LC，兩個CY的等效電容值因并聯(lián)變成原先的兩倍，

6、LISN提供的兩個50的電阻負(fù)載也并聯(lián)成為25的等效負(fù)載。這個25的等效負(fù)載阻抗可以看作濾波器的負(fù)載阻抗，其值相對較小，而通常情況下共模噪聲源阻抗ZCM一般較大，在滿足和CMYZC21的條件下，阻抗失配極大化，從而濾波器對于共模噪聲的插入損耗也盡可能大。 25CL圖2-3 共模等效電路圖容易看出此等效電路為LC二階低通濾波電路，其轉(zhuǎn)折頻率為 （2-3）YCRCMCLf221其插入損耗隨著噪聲頻率以40dB/dec的斜率增加。共模電感淺談第 6 頁，共 15 頁 深圳市普聯(lián)技術(shù)有限公司 版權(quán)所有2.2.2 差模等效電路差模等效電路與上面共模等效電路分析的方法相類似，等效差模電感量為2LD， LI

7、SN 提供的兩個50的電阻負(fù)載也串連成為100的負(fù)載阻抗。兩個CY 的等效電容值因串聯(lián)變?yōu)樵瓉淼囊话?，但由于差模噪聲源阻抗ZCM 一般較小，通常滿足 ，因此可將Y 電容忽略。由此得到簡化的差模等效電路圖，DMYZC2如圖2-4所示。圖2-4 差模等效電路圖在滿足和的條件下，阻抗失配極大化，濾波器對于差模噪聲的插入DMDZL1001XC損耗也盡可能大。與共模等效電路一樣，這也是LC二階低通濾波電路，其轉(zhuǎn)折頻率為： （2-4）XDRCMCLf21其插入損耗隨著噪聲頻率也是以40dB/dec的斜率增加。2.3 濾波器元器件參數(shù)計算濾波器元器件參數(shù)計算基于以上的分析，可以計算相應(yīng)的濾波器元器件參數(shù)。首

8、先根據(jù)測得的原始共模與差模噪聲，決定需要衰減的噪聲頻率段與衰減量，求得共差模濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，然后計算濾波器各個元件的參數(shù)。在計算元件參數(shù)時，應(yīng)該注意，由于濾波器電感電容值越大，其轉(zhuǎn)折頻率越低，對噪聲的抑制效果越好，但同時成本和體積也相應(yīng)增加。而且由材料特性可知，當(dāng)電感電容值越大時，可持續(xù)抑制噪聲的頻率范圍也相對變窄，因此其值不可以取得無限大?？紤]到電容對于體積的影響較電感小，而且市場上出售的電容器都有固定的電容值，與電感值相比缺乏彈性，故在決定電感電容值時，應(yīng)優(yōu)先考慮電容。共模電感淺談第 7 頁，共 15 頁 深圳市普聯(lián)技術(shù)有限公司 版權(quán)所有在計算共模元器件參數(shù)時，由于電容CY受安規(guī)限制，其

9、值不能太大，應(yīng)該選擇符合安規(guī)的最大值。選取CY 后，利用已經(jīng)得到的轉(zhuǎn)折頻率f RCM，可以通過式（2-3）計算出所需共模電感量為：（2-5）YRCMCCfL21212而在計算差模元器件參數(shù)時，電感與電容值的選擇彈性較大。在決定差模電容值CX之后,差模電感值可通過式（2-4）計算出所需差模電感量為：（2-6）XRDMDCfL12122.4 共模電感的差模電感共模電感的差模電感將共模電感的一個線圈短路，測量另外一個線圈的電感，或者短接一對同名端，測另一對同名端的電感，即為兩個線圈的差模電感之和。那么各個線圈的差模電感分別是多少呢？共模電感的磁通并不是完全封閉在磁芯內(nèi)，有部分泄露在空氣中。設(shè)磁芯中的

10、磁場強(qiáng)度為H，空氣中的磁場強(qiáng)度為H；磁芯的磁導(dǎo)率為，空氣的磁導(dǎo)率為，應(yīng)有；磁芯的橫截面節(jié)為S、磁路長度為l，假設(shè)空氣中磁通均勻分布在面積為S、磁路長度為l的空間中，不妨假設(shè)S=S，l=l。由安培環(huán)路定理有，N為共模電感的匝數(shù)，即 NIHdl（2-7）NIlHHl又（2-8）SHHSNLI其中，（2-9）IHSNLCISHNLD由（2-7）（2-8）可得，（2-10）lNINSLIHNSLIlNIH將（2-10）帶入（2-9），可得（2-11），lSNLlNNSLSNLC) (2（2-12），LlSNNSLlNSNLD) (2共模電感淺談第 8 頁，共 15 頁 深圳市普聯(lián)技術(shù)有限公司 版權(quán)所有

11、因為，所以，（2-13），lSNLLLC2LlSNLD2則， （2-14），)(1221LLLLDD)(1 (2121LLLLCC由（2-14）式可知，共模電感的兩個線圈的共模電感和差模電感感值之差正比于其總電感量之差。由于共模差模噪聲產(chǎn)生原因以及傳播路徑不同，為使共差模噪聲互不影響，要求使電路中L現(xiàn)和N線到地回路的阻抗對稱，即要求共模電感的兩個線圈的共模電感和差模電感相等，因此行業(yè)內(nèi)要求共模電感的兩個線圈感值之差盡量小，一般在5%以內(nèi)。因為，在兩線圈電感之差不大的情況下，可認(rèn)為LD1=LD2，因而共模電感單個線圈的差模電感即為測得的漏感的一半。盡管少量的差模電感非常有用，但差模電流流過差模電

12、感會使芯體內(nèi)的磁通發(fā)生零點(diǎn)偏離，如果偏離太大，芯體便會發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，使共模電感基本與無磁芯的電感一樣。結(jié)果，共模輻射的強(qiáng)度就如同電路中沒有扼流圈一樣。差模電流在共模環(huán)形線圈中引起的磁通偏離可由下式得出： （2-15）nILdmD式中，是芯體中的磁通變化量，LD是差模電感，是差模峰值電流，n為共模線圈的匝數(shù)。由于磁芯具有飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS，為了防止芯體發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，有以下法則：（2-16）(max)dmSDIAnBL 式中，Idm(max)是差模峰值電流，BS是磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大偏離，n是線圈的匝數(shù)，A是環(huán)形線圈的橫截面積。共模電感淺談第 9 頁，共 15 頁 深圳市普聯(lián)技術(shù)有限公司 版權(quán)所有

13、3. 共模電感的寄生參數(shù)共模電感的寄生參數(shù)共模電感廣泛應(yīng)用于EMI濾波器中，對抑制傳導(dǎo)干擾具有重要作用。然而，由于共模電感的寄生參數(shù)效應(yīng)，使得濾波器的高頻濾波性能變差，如濾波器的插入損耗減小，可用頻帶變窄，無法在傳導(dǎo)干擾考慮的0.1530MHz范圍內(nèi)正常工作。共模電感的寄生參數(shù)主要有導(dǎo)線和磁芯損耗（磁損），以及繞組的寄生電容。其中磁損由渦流損耗、磁滯損耗以及剩余損耗組成，影響磁損的因素很多，有頻率、磁感應(yīng)強(qiáng)度、溫度、波形等，因而磁芯損耗是非線性的；共模電感的寄生電容即為繞組匝與匝、匝與地、匝與磁芯、繞組與繞組間的電容。通過適當(dāng)簡化鐵氧體磁芯損耗，將非線性的磁芯損耗用一個與頻率相關(guān)的電阻元件等效

14、；通過阻抗測量來提取共模電感的寄生電容和共模電感的漏感，可建立了考慮寄生參數(shù)的共模電感集中參數(shù)模型，如圖3-1所示。RW表示繞組等效電阻，RC為磁心等效電阻；C1 為繞組匝間的寄生電容；C2 為兩個繞組間的寄生電容圖3-1 共模電感模型3.1 寄生電容寄生電容 C1、C2 寄生參數(shù)C可以通過阻抗測量的方法獲取。圖3-2為測量C1的原理圖。圖3-2 測量C1的原理圖共模電感P1與P2端短接，P3與P4端短接，如圖3-2a所示，測量P1（P2），P3（P4）端的諧振頻率fr，由于，則，其中電感值L=LC+LD，因而。因為L 與12LCRLCfr1221LfCr221212磁芯磁導(dǎo)率成正比，如果隨頻

15、率改變，L也隨之變化為非線性電感，因此確定fr下的電感值比較困難。提取C1參數(shù)的另一種方法是用外部并聯(lián)電容來測量，如圖3-2b所示，電路諧振頻率為：extC共模電感淺談第 10 頁，共 15 頁 深圳市普聯(lián)技術(shù)有限公司 版權(quán)所有（3-1）extextCCLf1221如果分別為，則電路諧振頻率為：extC1extC2extC（3-2）111221extextCCLf（3-3）212221extextCCLf由式（3-2）得：（3-4）2221211121222212extextextextextextextextextextLfLfCLfCLfC式中：，分別為電感在，下的電感值。1extL2ex

16、tL1extf2extf如果，選擇合適，則比較接近，認(rèn)為，化簡式（3-4）得：1extC2extC1extf2extf21extextLL（3-5）222112122212extextextextextextffCfCfC在P1、P2端并聯(lián)一個電感，測量P1、P2端的諧振頻率，可提取C2參數(shù)，其原理圖如圖3-3a所示。由于LD、C1、C2、RC、RW數(shù)值很小，因此可忽略C1、LD、RC、RW影響，近似為兩個C2 并聯(lián)，等效電路如圖3-3b所示。C0為并聯(lián)電感寄生電容，R0為寄生電阻圖3-3 測量C2原理圖應(yīng)選用寄生電阻R0盡可能小的并聯(lián)電感，這樣在測量頻率內(nèi)可以忽略R0的影響。測量P1，P2端

17、的諧振頻率f0，則得：（3-6） 002022212CLfC共模電感淺談第 11 頁，共 15 頁 深圳市普聯(lián)技術(shù)有限公司 版權(quán)所有3.2 電感電感 LLK、LC假設(shè)共模電感和差模電感是獨(dú)立的，則用分立的差模電感來模擬LLK。將共模電感P3、P4端短路，測量P1、P2端，即可測得共模電感的漏感。鐵氧體磁芯的磁導(dǎo)率隨頻率變化，因而電感也隨之變化為非線性電感。因LLK較小，忽略其隨頻率變化，共模電感LC的數(shù)值一般非常大，需考慮LC隨頻率變化。3.3 等效電阻等效電阻 RC、RW磁性元件的損耗由兩部分組成：銅損和磁損。銅損為電流流過線圈所產(chǎn)生的損耗，用電阻RW等效。在高頻時由于趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)，較

18、低頻下?lián)p耗有所增加，因等效電阻RW在高頻時遠(yuǎn)小于磁心等效電阻RC，故可忽略繞組等效電阻的影響。磁損指磁性材料的損耗，影響磁損的因素很多，有頻率、磁感應(yīng)強(qiáng)度、溫度、波形等?；诘刃щ娐返脑?，將磁芯損耗等效為電阻損耗，表示為RC。這樣，非線性的磁芯損耗就能用一個線性元件來表示。僅考慮電阻與頻率的關(guān)系，設(shè)其與單變量f 的模型為：（3-7） 2210fcfccRfC多項式的次數(shù)選擇二次，太低不足以描述其內(nèi)部規(guī)律，太高易引起數(shù)值振蕩。待定系數(shù)C0，C1，C2的獲取分為兩個步驟：短接P1、P2和P3、P4，測量不同頻率下P1、P4端的阻抗Rs和電抗Xs；由于LLKLC，忽略LLK，則有：（3-8）221

19、2212221CCCSRCCLRR（3-9） 22122122112221221CCCCCCSRCCLLRCCLLX式中：。f2再用回歸分析計算出待定系數(shù)C0，C1，C2。共模電感淺談第 12 頁，共 15 頁 深圳市普聯(lián)技術(shù)有限公司 版權(quán)所有4. 磁芯材料與共模電感磁芯選型磁芯材料與共模電感磁芯選型常見的磁芯材料有鐵氧體磁芯、磁粉芯和高磁通磁粉芯，其中常用的磁粉芯有鐵粉芯、坡莫合金粉芯和鐵硅鋁粉芯。4.1 鐵氧體磁芯鐵氧體磁芯鐵氧體磁芯是由致密勻質(zhì)的陶瓷結(jié)構(gòu)非金屬磁性材料制成。它由氧化鐵（Fe2O3）和一種或幾種其他金屬（例如錳、鋅、鎳、鎂）的氧化物或碳酸鹽化合物組成。鐵氧體原料通過壓制，后

20、經(jīng)1300高溫?zé)Y(jié)，最后通過機(jī)器加工制成滿足應(yīng)用需求的成品磁芯。 鐵氧體磁芯分為錳鋅類和鎳鋅類。鎳鋅類的特點(diǎn)是：初始磁導(dǎo)率低（小于1000），但是可以工作在比較高的頻率（大于100MHz）下，保持磁導(dǎo)率不變。由于鎳鋅系磁芯有很低的初磁導(dǎo)率，所以在低頻時，不可產(chǎn)生高阻抗特性。而錳鋅系則恰恰相反，其具有很高的初始磁導(dǎo)率，但在頻率很低（20KHz）時，磁導(dǎo)率會衰減。錳鋅系磁芯在低頻時，能提供非常高的阻抗特性，非常適用于減小10KHz到50MHz的電磁干擾。4.2 磁粉芯與高磁通磁粉芯磁粉芯與高磁通磁粉芯磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成的一種軟磁材料。磁粉芯具有均勻分布式氣隙，因而擁有高電阻

21、、低磁滯、低渦流損耗和軟飽和等許多優(yōu)秀的磁特性，以及在直流和交流條件下極佳的電感穩(wěn)定性。由于鐵磁性顆粒很?。ǜ哳l下使用的為0.55um），又被非磁性電絕緣膜物質(zhì)隔開；因此，一方面可以隔絕渦流，適用于較高頻率；另一方面由于顆粒之間的間隙效應(yīng)，導(dǎo)致材料具有低磁導(dǎo)率及恒導(dǎo)磁特性；又由于顆粒尺寸小，基本上不發(fā)生驅(qū)膚現(xiàn)象，磁導(dǎo)率隨頻率的變化也就較為穩(wěn)定，主要用于高頻電感。磁粉芯的磁電性能主要取決于粉粒材料的導(dǎo)磁率、粉粒的大小和形狀、它們的填充系數(shù)、絕緣介質(zhì)的含量、成型壓力及熱處理工藝等。鐵粉芯是一種常用的軟磁類磁粉芯，由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構(gòu)成，在粉芯中價格最低。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在1.4T左右，磁

22、導(dǎo)率范圍從22100，初始磁導(dǎo)率隨頻率的變化穩(wěn)定性好，直流電流疊加性能好，但高頻下?lián)p耗高。鐵粉芯被廣泛用于RF應(yīng)用上。由于鐵粉芯中固有的分布式氣隙特性，因此鐵粉芯常用于儲能式電感中。此外，用鐵粉芯來替代坡莫合金磁芯、高磁通量磁芯或鐵硅鋁磁芯是一種高性價比設(shè)計。相對鐵粉芯而言，鐵硅鋁磁芯的磁芯損耗低的多；鐵硅鋁磁芯的磁致伸縮接近于零，非常適用于消除濾波電感中的音頻噪音；鐵硅鋁磁芯在制造時沒有使用有機(jī)粘結(jié)劑，因此沒有任何熱老化的問題；最后，鐵硅鋁磁芯能在200下連續(xù)操作，而鐵粉芯只能工作于130以下。而坡莫合金磁芯的磁芯損耗比鐵硅鋁磁芯的更低，當(dāng)然價格也更高。對于要求損耗極低的電感器，應(yīng)使用坡莫合

23、金磁芯。需要在低成本下具備合理的低磁損和高飽和度，則應(yīng)該使用鐵硅鋁磁粉芯，因為成本符合經(jīng)濟(jì)效益。對于直流偏置為主導(dǎo)，且要求尺寸小的設(shè)計，應(yīng)當(dāng)使用具有最高的磁通量的高磁通磁芯。共模電感淺談第 13 頁，共 15 頁 深圳市普聯(lián)技術(shù)有限公司 版權(quán)所有上述幾種磁芯材料性能對比詳見右邊文檔電感器磁芯材料性能比較表.pdf4.3 共模電感磁芯選型共模電感磁芯選型選用共模電感的磁芯時，形狀尺寸、適用頻段、價格、溫升等因素都需要予以考慮。上述磁芯材料中，鐵氧體磁芯的形狀最多樣；而磁粉芯和高磁通磁粉芯的形狀僅限于環(huán)形等形狀。共模電感常用的磁芯為U型、E型和環(huán)形。相對而言，環(huán)形磁芯比較便宜，因為環(huán)形只有一個就可

24、制作；而其他形狀的磁芯必須有一對才能為共模電感所用，且在成型時，考慮兩磁芯的配對問題，還須增加研磨工序（如鏡面磁芯）才能得到較高的磁導(dǎo)率，對于環(huán)形磁芯卻不需如此；與其它形狀磁芯相比環(huán)形磁芯有較高的有效磁導(dǎo)率，因為兩配對磁芯在裝配時，無論怎樣作業(yè)都不可消除氣隙的現(xiàn)象，故有效磁導(dǎo)率比單一封閉形磁芯要低。但環(huán)形磁芯繞線成本較高，因其他形狀磁芯有一配套線架在使用，繞線可以機(jī)器作業(yè)，而環(huán)形磁芯只可以手工作業(yè)或機(jī)器（速度較低）作業(yè)；且磁環(huán)孔徑小，機(jī)器難以穿線，需要人工去繞，費(fèi)時費(fèi)力，加工成本高，效率低；安裝不便，若是加底座，則成本會上升。綜合性能比起來，磁環(huán)性能較好，價格也較高。因為成本的因素，磁環(huán)大多用在大功率的電源上。當(dāng)然因為體積小，對體積有要求的小功率電源，可以采用磁環(huán)磁芯。對于主要作用是濾除低頻噪聲的共模電感，應(yīng)當(dāng)選用高磁導(dǎo)率的錳鋅鐵氧體磁芯；相反，應(yīng)該選用適用于