共模電感設計

1、.1.前言近年來，由于政府機構或其他團宥訣MC（電磁兼容）日益重視，工程師們在設計產品時亦是非常注意產品的輻射問題。特別值得一提的是：直流變換器很高的開關頻率及尖峰脈沖斜波就是一典型的EMI（電磁干擾）。共模電感就是一個重要的抗電磁干擾零件，它可以在一寬頻條件下提供非常高的阻抗。大多數(shù)EMI濾波器主要部件就是一共模電感。在此文中，主要介紹共模電感的設計及磁芯選材問題。2.基本的共模開關電源有兩種噪聲：一為共模，另一為差模。與輸入信號的路徑相同的噪聲稱之為差模噪聲，而每相相同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)一典型抗電磁干擾濾波器包含共模電感，差模電感及X,Y電容。Y電

2、容和共模電感使共模噪聲衰減。在高頻噪聲時，電感呈現(xiàn)高阻抗特性，并且反射和吸收噪聲。然而電容呈低阻抗（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，產生兩大小相等方向相反的磁通量。此兩磁通相互抵消。因此使磁芯處于無偏磁狀態(tài)。差模電感只有一個繞組，需要磁芯提供一完全無飽和線性電流。此與共模電感有較大的不同。為防止磁飽和，差模電感必須使用一低的有效磁導率的磁芯（有氣隙的鐵氧體或鐵粉磁芯）。然而，共模電感可以使用一較高的磁導率磁芯且在磁芯相對小的條件下可得到一比較高的電感。3.磁芯選材首先，噪聲是由開關電源的單位基頻所產生的，再加上高頻諧波。也就是表示噪聲在10KHz到50MHz

3、范圍內都會存在。為此，電感必須有更寬的頻率范圍內存在高阻抗特性。共模電感的總阻抗由兩部分組成：串聯(lián)感抗（Xs)和串聯(lián)電阻（Rs)。在低頻時，阻抗呈感抗特性。但隨著頻率的增加，有效磁導率下降，感抗亦在下降。（見圖3）由串聯(lián)感抗（Xs)和串聯(lián)電阻（Rs)的相互作用，在整個頻寬內產生一可接受的阻抗（Zs)。對于大多數(shù)產品來講，共模電感的磁芯都選用鐵氧體（鎳鋅系和錳鋅系）。鎳鋅系磁芯的特點是具有較低的初磁導率，但在非常高的頻率（大于100MHz)時，仍能保持初磁導率。而錳鋅系則恰恰相反，其具有很高的初磁導率，但在頻率很低（20KHz)時，磁導率可能會衰減。由于鎳鋅系磁芯有很低的初磁導率，所以在低頻時，

4、不可產生高阻抗特性。然而錳鋅系磁芯在低頻時，能提供非常高的阻抗特性，且非常適用于10KHz到50MHz的抗電磁干擾。基于此，本文只集中討論錳鋅系磁芯。錳鋅系磁芯有很多種形狀：環(huán)形，E形，罐形，RM形及EP形等等。但對于大多數(shù)共模電感都是使用環(huán)形磁芯。主要是有以下兩種好處：第一：環(huán)形磁芯比較便宜。因為環(huán)形只有一個就可制作，而其他形狀的磁芯必須有一對才能構成共模電感所需，且在成型時，因考慮兩磁芯的配對問題，還須增加研磨工序（如鏡面磁芯）才能得到較高的磁導率。對于環(huán)形磁芯卻不需如此。第二：與其它形狀磁芯相比環(huán)形磁芯有較高的有效磁導率。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

5、導率比只有單一封閉形磁芯要低。環(huán)形磁芯有一缺點：繞線成本較高。因其他形狀磁芯有一配套線架在使用，繞線都可以機器作業(yè)，而環(huán)形磁芯只可以手工作業(yè)或機器（速度較低）作業(yè)。但通常情況下，共模電感圈數(shù)較少（小于30圈），故繞線成本比較少?；谏鲜鲈?，下面的共模電感都是對使用環(huán)形磁芯的敘述。4.設計考慮共模電感設計所需的基本參數(shù)為：輸入電流，阻抗及頻率。輸入電流決定了繞組所需的線徑。在計算線徑時，電流密度通常取值為400A/cm3。但此取值須隨電感溫升的變化。通常情況下，繞組使用單根導線作業(yè)，這樣可削減高頻噪聲及趨膚效應損失。共模電感的阻抗在所給的頻率條件一般規(guī)定為最小值。串聯(lián)的線性阻抗可提供一般要求的

6、噪聲衰減。但很不幸，線性阻抗有相當少的人知道，因此設計人員經常以50W線性阻抗穩(wěn)定網絡儀來測試共模電感，并漸漸成為一種標準測試共模電感性能的方法。但所得的結果與實際通常有相當大的差別。實際上，共模電感在正常時角頻首先會產生每八音度增加-6dB衰減（角頻是共模電感產生-3dB)的頻率此角頻通常很低，以便感抗能夠提供阻抗。故電感可以用下式來表達：Ls=Xx/2f (1)電感大家都知道，但值得一提的是，設計時須注意磁芯，磁芯材質及所需的圈數(shù)。首先，設計第一步是磁芯型號的選取，如果有規(guī)定電感空間，我們就按此空間來選取合適的磁芯型號，如沒有規(guī)定，通常磁芯型號的隨意選?。坏诙绞怯嬎愦判舅芾@最大圈數(shù)。共

7、模電感有兩繞組，一般為單層，且每繞組分布在磁芯的每一邊，兩繞組中間須隔開一定的距離。雙層及堆積繞組亦有偶爾使用，但此種作法會提高繞組的分布電容及降低電感的高頻性能。由于銅線的線徑已由線性電流的大小所決定，內圓周長可以由磁芯的內圓半徑減去銅線半徑計算得來。故最大圈數(shù)的就可以銅線加絕緣的線徑及每個繞組所占據(jù)的圓周來計算。5.設計案例要求：在工作頻率為10KHz，輸入線性電流為3A(RMS)時，阻抗為100 歐的共模電感。1）選取線徑銅線截面積=3A/400A/cm2=0.0075cm2銅線線徑=2=0.98mm取銅線線為1.0mm2)計算最小電感值3)假如無指定空間，任取一磁芯內徑（ID)=13.72+/-0.38=13.34mm MIN4)計算內圓周長和最大可繞圈數(shù)內圓周長=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，并選取材質磁芯的AL最小值=1.59/162=6211nH/TS2MIN因此種磁芯AL值變化范圍一般為+/-30%故磁芯的AL值取9000nH/TS2，以上述條件，即可選取一合適磁芯。6.