共模電感設(shè)計

1、共模電感設(shè)計共模電感設(shè)計共模電感設(shè)計序言近來幾年來，因為政府機(jī)構(gòu)或其余團(tuán)宥訣MC（電磁兼容）日趨重視，工程師們在設(shè)計產(chǎn)品時亦是特別注意產(chǎn)品的輻射問題。特別值得一提的是：直流變換器很高的開關(guān)頻次及尖峰脈沖斜波就是一典型的EMI（電磁攪亂）。共模電感就是一個重要的抗電磁攪亂零件，它能夠在一寬頻條件下供給特別高的阻抗。大多數(shù)EMI濾波器主要零件就是一共模電感。在此文中，主要介紹共模電感的設(shè)計及磁芯選材問題。基本的共模開關(guān)電源有兩種噪聲：一為共模，另一為差模。與輸入信號的路徑相同的噪宣稱之為差模噪聲，而每相同樣的從接地到輸出的尖峰信號稱之為共模噪聲。（詳見圖1A和1B)一典型抗電磁攪亂濾波器包括共模電

2、感，差模電感及X,Y電容。Y電容和共模電感使共模噪聲衰減。在高頻噪聲時，電感表現(xiàn)高阻抗特色，而且反射和汲取噪聲。但是電容呈低阻抗（至接地）且改變主線的噪聲方向。（見圖2）共模電感兩繞組圈數(shù)是相同的，產(chǎn)生兩大小相等方向相反的磁通量。此兩磁通互相抵消。因此使磁芯處于無偏磁狀態(tài)。差模電感只有一個繞組，需要磁芯供給一完滿無飽和線性電流。此與共模電感有較大的不相同。為防備磁飽和，差模電感必然使用一低的有效磁導(dǎo)率的磁芯（有氣隙的鐵氧體或鐵粉磁芯）。但是，共模電感能夠使用一較高的磁導(dǎo)率磁芯且在磁芯相對小的條件下可獲得一比較高的電感。磁芯選材第一，噪聲是由開關(guān)電源的單位基頻所產(chǎn)生的，再加上高頻諧波。也就是表示

3、噪聲在10KHz到50MHz范圍內(nèi)都會存在。為此，電感必然有更寬的頻次范圍內(nèi)存在高阻抗特色。共模電感的總阻抗由兩部分構(gòu)成：串聯(lián)感抗（Xs)和串聯(lián)電阻（Rs)。在低頻時，阻抗呈感抗特色。但跟著頻次的增添，有效磁導(dǎo)率降落，感抗亦在降落。（見圖3）由串聯(lián)感抗（Xs)和串聯(lián)電阻（Rs)的互相作用，在整個頻寬內(nèi)產(chǎn)生一可接受的阻抗（Zs)。關(guān)于大部分產(chǎn)品來講，共模電感的磁芯都采用鐵氧體（鎳鋅系和錳鋅系）。鎳鋅系磁芯的特點(diǎn)是擁有較低的初磁導(dǎo)率，但在特別高的頻次（大于100MHz)時，還能夠保持初磁導(dǎo)率。而錳鋅系則恰好相反，其擁有很高的初磁導(dǎo)率，但在頻次很低（20KHz)時，磁導(dǎo)率可能會衰減。因為鎳鋅系磁芯有

4、很低的初磁導(dǎo)率，所以在低頻時，不能夠產(chǎn)生高阻抗特色。但是錳鋅系磁芯在低頻時，能供給特別高的阻抗特色，且特別合用于10KHz到50MHz的抗電磁攪亂。鑒于此，本文只集中討論錳鋅系磁芯。錳鋅系磁芯有好多種形狀：環(huán)形，E形，罐形，RM形及EP形等等。但關(guān)于大部分共模電感都是使用環(huán)形磁芯。主假如有以下兩種利處：第一：環(huán)形磁芯比較廉價。因為環(huán)形只有一個即可制作，而其余形狀的磁芯必然有一對才能構(gòu)成共模電感所需，且在成型時，因考慮兩磁芯的配對問題，還須增添研磨工序（如鏡面磁芯）才能獲得較高的磁導(dǎo)率。關(guān)于環(huán)形磁芯卻不需這樣。第二：與其余形狀磁芯比較環(huán)形磁芯有較高的有效磁導(dǎo)率。因為兩配對磁芯在裝置時，不論如何作

5、業(yè)都不能夠除去氣隙的現(xiàn)象，故有效磁導(dǎo)率比只有單調(diào)關(guān)閉形磁芯要低。環(huán)形磁芯有一弊端：繞線成本較高。因其余形狀磁芯有一配套線架在使用，繞線都能夠機(jī)器作業(yè)，而環(huán)形磁芯只能夠手工作業(yè)或機(jī)器（速度較低）作業(yè)。但平常狀況下，共模電感圈數(shù)較少（小于30圈），故繞線成本比較少。鑒于上述原由，下邊的共模電感都是對使用環(huán)形磁芯的表達(dá)。設(shè)計考慮共模電感設(shè)計所需的基本參數(shù)為：輸入電流，阻抗及頻次。輸入電流決定了繞組所需的線徑。在計算線徑時，電流密度平常取值為400A/cm3。但此取值須隨電感溫升的變化。平常狀況下，繞組使用單根導(dǎo)線作業(yè)，這樣可減少高頻噪聲及趨膚效應(yīng)損失。共模電感的阻抗在所給的頻次條件一般規(guī)定為最小值。

6、串聯(lián)的線性阻抗可供給一般要求的噪聲衰減。但很不幸，線性阻抗有相當(dāng)少的人知道，所以設(shè)計人員常常以50W線性阻抗堅固網(wǎng)絡(luò)儀來測試共模電感，并逐漸成為一種標(biāo)準(zhǔn)測試共模電感性能的方法。但所得的結(jié)果與實質(zhì)平常有相當(dāng)大的差異。實質(zhì)上，共模電感在正常時角頻第一會產(chǎn)生每八音度增添-6dB衰減（角頻是共模電感產(chǎn)生-3dB)的頻次此角頻平常很低，以便感抗能夠供給阻抗。故電感能夠用下式來表達(dá)：Ls=Xx/2f(1)電感大家都知道，但值得一提的是，設(shè)計時須注意磁芯，磁芯材質(zhì)及所需的圈數(shù)。第一，設(shè)計第一步是磁芯型號的采用，假如有規(guī)定電感空間，我們就按此空間來采用適合的磁芯型號，如沒有規(guī)定，平常磁芯型號的任意采用；第二步

7、是計算磁芯所能繞最大圈數(shù)。共模電感有兩繞組，一般為單層，且每繞組散布在磁芯的每一邊，兩繞組中間須分開必然的距離。雙層及聚集繞組亦有有時使用，但此種作法會提高繞組的散布電容及降低電感的高頻性能。因為銅線的線徑已由線性電流的大小所決定，內(nèi)圓周長能夠由磁芯的內(nèi)圓半徑減去銅線半徑計算得來。故最大圈數(shù)的就能夠銅線加絕緣的線徑及每個繞組所占有的圓周來計算。設(shè)計事例要求：在工作頻次為10KHz，輸入線性電流為3A(RMS)時，阻抗為100歐的共模電感。1）采用線徑銅線截面積=3A/400A/cm2=0.0075cm2銅線線徑=2=0.98mm取銅線線為1.0mm計算最小電感值假如無指定空間，任取一磁芯內(nèi)徑（ID)=13.72+/-0.38=13.34mmMIN計算內(nèi)圓周長和最大可繞圈數(shù)內(nèi)圓周長=3.14(13.34-1.08)=38.5mm最大圈數(shù)=（160/360)38.5/1.08=15.8TS或16TS5）計算磁芯的AL值，并采用材質(zhì)磁芯的AL最小值=1.59/162=6211nH/TS2MIN所以種磁芯AL值變化范圍一般為+/-30%故磁芯的AL值取9000nH/TS2，以上述條件，即可采用一適合磁