詳解共模電感原理及選型
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詳解共模電感原理及選型
1共模電感原理
在介紹共模電感之前先介紹扼流圈，扼流圈是一種用來(lái)減弱電路里面高頻電流的低阻抗線圈。為了提高其電感扼流圈通常有一軟磁材料制的核心。共模扼流圈有多個(gè)同樣的線圈，電流在這些線圈里反向流，因此在扼流圈的芯里磁場(chǎng)抵消。共模扼流圈常被用來(lái)壓抑干擾輻射，因?yàn)檫@樣的干擾電流在不同的線圈里反向，提高系統(tǒng)的EMC。對(duì)于這樣的電流共模扼流圈的電感非常高。
共模信號(hào)和差模信號(hào)只是一個(gè)相對(duì)量，共模信號(hào)又稱共模噪聲或者稱對(duì)地噪聲，指兩根線分別對(duì)地的噪聲，對(duì)于開關(guān)電源的輸入濾波器而言，是零線和火線分別對(duì)大地的電信號(hào)。雖然零線和火線都沒(méi)有直接和大地相連，但是零線和火線可以分別通過(guò)電路板上的寄生電容或者雜散電容又或者寄生電感等來(lái)和大地相連。差模信號(hào)是指兩根線直接的信號(hào)差值也可以稱之為電視差。
假設(shè)有兩個(gè)信號(hào)V1、V2
共模信號(hào)就為（V1+V2）/2
差模信號(hào)就為：對(duì)于V1 （V1-V2）/2；對(duì)于V2 -（V1-V2）/2
共模信號(hào)特點(diǎn)：幅度相等、相位相同的信號(hào)。
差模信號(hào)特點(diǎn)：幅度相等、相位相反的信號(hào)。
2 差模噪聲和共模噪聲主要來(lái)源
對(duì)于開關(guān)電源而言，如果整流橋后的儲(chǔ)能濾波大電容為理想電容，即等效串聯(lián)電阻為零（忽略所有電容寄生參數(shù)），則輸入到電源的所有可能的差模噪聲源都會(huì)被該電容完全旁路或解耦，可是大容量電容的等效串聯(lián)電阻并非為零。因此，輸入電容的等效串聯(lián)電阻是從差模噪聲發(fā)生器看進(jìn)去的阻抗Zdm的主要部分。輸入電容除了承受從電源線流入的工作電流外，還要提供開關(guān)管所需的高頻脈沖電流，但無(wú)論如何，電流流經(jīng)電阻必然產(chǎn)生壓降，如電容的等效串聯(lián)電阻，所以輸入濾波電容兩端會(huì)出現(xiàn)高頻電壓紋波，高頻高壓紋波就是來(lái)自于差模電流。它基本上是一個(gè)電壓源（由等效串聯(lián)電阻導(dǎo)致的）。理論上，整流橋?qū)〞r(shí)，該高頻紋波噪聲應(yīng)該僅出現(xiàn)在整流橋輸入側(cè)。事實(shí)上，整流橋關(guān)斷時(shí)，噪聲會(huì)通過(guò)整流橋二極管的寄生電容泄露。
高頻電流流入機(jī)殼有許多偶然的路徑。當(dāng)開關(guān)電源中的主開關(guān)管的漏極高低跳變時(shí)，電流流經(jīng)開關(guān)管與散熱器之間的寄生電容（散熱器連接至外殼或者散熱器就是外殼）。在交流電網(wǎng)電流保持整流橋?qū)〞r(shí)，注入機(jī)殼的噪聲遭遇幾乎相等的阻抗，因此等量流入零線和火線。因此，這是純共模噪聲。
3 共模電感如何抑制共模信號(hào)
目前已經(jīng)知道共模信號(hào)是兩個(gè)幅度相等、相位相同的信號(hào)，共模信號(hào)一般來(lái)自電網(wǎng)，共模信號(hào)會(huì)影響電路板的正常工作，也會(huì)以電磁波的形式干擾周圍環(huán)境。
既然是用電感來(lái)抑制共模信號(hào)，那么這肯定和磁場(chǎng)相關(guān)。先來(lái)介紹通電螺線感，產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向（對(duì)于項(xiàng)目應(yīng)用而言，有些場(chǎng)合比如抑制共模信號(hào)而言，不太需要定量的計(jì)算，電感產(chǎn)生的磁場(chǎng)以及磁通量的大小，感興趣的童鞋，這里推薦一本書可以參考，《《開關(guān)電源中磁性元器件》》趙修科老師）。對(duì)于通電螺線管的磁場(chǎng)方向判斷方法為，右手握住螺管，四指指向電流方向，則拇指指向就是磁場(chǎng)方向。接下來(lái)介紹一個(gè)重要的名詞，即磁通。垂直通過(guò)一個(gè)截面的磁力線總量稱為該截面的磁通量，簡(jiǎn)稱磁通。磁力線是通電螺線管產(chǎn)生的，是實(shí)際存在的，只是看不見也摸不著，磁力線是一個(gè)閉和的回路，對(duì)于通電螺線管，磁力線都要經(jīng)過(guò)螺線管內(nèi)部，磁力線是與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比的。
磁通量用F表示，是一個(gè)標(biāo)量，單位為韋伯，代號(hào)Wb。磁通量和磁感應(yīng)強(qiáng)度B以及截面積A的關(guān)系為：
F=BA
從關(guān)系式可以看出，穿過(guò)橫截面的磁力線越多，磁通量就越大。對(duì)于繞在磁芯上的線圈，在其上通電流i，則線圈的電感L可以表示為：
L=NF/i
N為線圈匝數(shù)。
到此為止，通過(guò)上述的簡(jiǎn)要概述，可以知道，繞在磁芯上的線圈在匝數(shù)和電流不變時(shí)，磁芯中穿過(guò)的磁力線越多，那么磁通量就越大，則相對(duì)應(yīng)的電感量也越大。電感天生的作用就是阻止流過(guò)其上電流的變化，其實(shí)質(zhì)是阻止其磁通量的變化。這就是利用共模電感來(lái)抑制共模電流的基本原理。
共模電流在共模電感上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，電流I1產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1，電流I2產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2，兩條黃色箭頭分別表示電流I1和I2在鐵氧體中產(chǎn)生的磁力線，可以看出電流I1和I2產(chǎn)生的磁力線是相加的，故磁通也是相加的，那么電感量就是相加的，電感量越大，對(duì)電流的抑制能力就越強(qiáng)。
對(duì)于共模電感如何抑制共模電流用一句話可以解釋，即共模電感上流過(guò)共模電流時(shí)磁環(huán)中的磁通相互疊加，從而具有相當(dāng)大的電感量，對(duì)共模電流起到抑制作用。
當(dāng)兩個(gè)線圈流過(guò)差模電流時(shí)，鐵氧體磁環(huán)中的磁力線相反，導(dǎo)致磁通相互抵消，幾乎沒(méi)有電感量，所以差模信號(hào)可以基本無(wú)衰減的通過(guò)（考慮到電感本身具有一定的電阻）。所以不僅對(duì)于開關(guān)電源的輸入濾波器加共模電感，在走差分信號(hào)線時(shí)也可以加上共模電感來(lái)抑制共模電流，以防止電路誤觸發(fā)等現(xiàn)象。
4共模電感選取
根據(jù)共模電感的額定電流、直流電阻以及額定頻率下阻抗值要求，可以按步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：
1 根據(jù)阻抗值計(jì)算最小電感值
2 選擇共模電感磁芯材料以及磁芯尺寸
3 確定線圈匝數(shù)
4 選擇導(dǎo)線
共模電感最小電感值計(jì)算公式：
Xl為頻率為f時(shí)的阻抗值
扼流圈電感值是用負(fù)載（單位：Ohms）除以信號(hào)開始衰減時(shí)的角頻率或以上頻率。例如，在50Ω的負(fù)載中，當(dāng)頻率達(dá)到4000 Hz 或以上時(shí)信號(hào)開始衰減，則需要使用1.99 mH （50/2π×4000））的電感。其相應(yīng)的共模濾波器構(gòu)造，如下圖6所示：
選擇所需濾波的頻段，共模阻抗越大越好，因此在選擇共模電感時(shí)需要看器件資料，主要根據(jù)阻抗頻率曲線選擇。
電感量計(jì)算出來(lái)后和普通設(shè)計(jì)電感一樣，在此就不詳細(xì)展開。
自己在繞制電感時(shí)要注意些事項(xiàng)，
1）繞制在線圈磁芯上的導(dǎo)線要相互絕緣，以保證在瞬時(shí)過(guò)電壓作用下線圈的匝間不發(fā)生擊穿短路。
2）當(dāng)線圈流過(guò)瞬時(shí)大電流時(shí)，磁芯不要出現(xiàn)飽和。
3）線圈中的磁芯應(yīng)與線圈絕緣，以防止在瞬時(shí)過(guò)電壓作用下兩者之間發(fā)生擊穿。
4）線圈應(yīng)盡可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強(qiáng)線圈對(duì)瞬時(shí)過(guò)電壓的而授能力
共模電感磁芯的選取磁芯時(shí)，形狀尺寸、適用頻段、溫升以及價(jià)格都要考慮，常用的磁芯為U型、E型和環(huán)形。
相對(duì)而言，環(huán)形磁芯比較便宜，因?yàn)榄h(huán)形只有一個(gè)就可制作。而其他形狀的磁芯必須有一對(duì)才能為共模電感所用，且在成型時(shí)，考慮兩磁芯的配對(duì)問(wèn)題，還須增加研磨工序才能得到較高的磁導(dǎo)率，對(duì)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?yàn)閮膳鋵?duì)磁芯在裝配時(shí)，無(wú)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(shí)費(fèi)力，加工成本高，效率低；安裝不便，若是加底座，則成本會(huì)上升。綜合性能比起來(lái)，磁環(huán)性能較好，價(jià)格也較高。因?yàn)槌杀镜囊蛩兀怒h(huán)大多用在大功率的電源上。當(dāng)然因?yàn)轶w積小，對(duì)體積有要求的小功率電源，可以采用磁環(huán)磁芯。對(duì)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)該選用適用于高頻的鎳鋅鐵氧體磁芯或磁粉芯磁芯。通常適用于高頻的磁芯，因其具有分布式氣隙，故磁導(dǎo)率相對(duì)較低，二者不可兼得。不過(guò)，與普通電感器不同的是，共模電感的作用是對(duì)噪聲信號(hào)形成較大的插入損耗，以減小噪聲干擾。錳鋅鐵氧體在高頻時(shí)，雖然其有效磁導(dǎo)率很小，但磁芯損耗隨頻率增加而增大，對(duì)高頻噪聲有較大的阻礙作用，所以也能減弱高頻干擾，只是效果相對(duì)較差。然而，較大的磁芯損耗會(huì)導(dǎo)致磁芯發(fā)熱，而損耗較小的磁芯價(jià)格也較高。
