共模电感

共模电感

工作原理

共模电感的滤波电路，La和Lb就是共模电感线圈。这两个线圈绕在同一铁芯上，匝数和相位都相同(绕制反向)。这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼)；当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波的目的。

漏感差模

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，其间有相当共模电感大的间隙，这样就会产生磁通泄漏，并形成差模电感。因此，共模电感一般也具有一定的差模干扰衰减能力。

在滤波器的设计中，我们也可以利用漏感。如在普通的滤波器中，仅安装一个共模电感，利用共模电感的漏感产生适量的差模电感，起到对差模电流的抑制作用。有时，还要人为增加共模扼流圈的漏电感，提高差模电感量，以达到更好的滤波效果。

漏感综述

共模扼流圈能发挥一定的作用是由于μcm比μdm大好几个数量级的缘故，因为共模电流通常很小，可以通过使L/D保持在较低值来获得更小的μdm。

为了得到共模电感，同时又要使差模电感最小，最好是采用横截面积较大的磁芯绕制成多匝线圈。采用较大的螺旋管磁芯，也并非一定要这样的磁芯，可在共模扼流圈内并入有效的差模电感。因为差模磁通是远离磁芯（环形结构）的，因此可能会产生极强的辐射。尤其是滤波器安装在PCB板上的情况下，这种辐射可以耦合到电源线，使传导发射增强。当磁性材料被带到场内时（例如，环形磁芯放置在铁壳里），差模磁导率就可能会显著地增加，从而由于差模电流而导致磁芯的饱和。

共模电感在制作时应满足以下要求

(1)绕制在线圈磁芯上的导线要相互绝缘，以保证在瞬时过电压作用下线圈的匝间不发生击穿短路;

(2)当线圈流过瞬时大电流时，磁芯不要出现饱和;

(3)线圈中的磁芯应与线圈绝缘，以防止在瞬时过电压作用下两者之间发生击穿; (4)线圈应尽可能绕制单层，这样做可减小线圈的寄生电容，增强线圈对瞬时过电压的承受能力。

通常情况下，同时注意选择所需滤波的频段，共模阻抗越大越好，因此我们在选择共模电感时需要看器件资料，主要根据阻抗频率曲线选择。另外选择时注意考虑差模阻抗对信号的影响，主要关注差模阻抗，特别注意高速端口。

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。

噪音测试方法

噪音的测试主要通过LISN来实现。LSN是指线路阻抗稳定网路，是传导型噪声测量的重要工具。

图1 噪音测试结构图

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，滤除有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，测试到的噪音电压：

滤波器电路结构分析

图2 EMI滤波器电路图

共模等效电路

图3 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来的两倍，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，在满足和的条件下，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。

等效电路为LC二阶低通滤波器电路，其转折频率为，其插入损耗随着噪声频率以40Db/dec的斜率增加。

差模等效电路

图4 差模等效电路图

其转折频率为，其插入损耗随着噪声频率也是以40Db/dec的斜率增加。

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。而且有材料特性可知，当电感电容值越大时，课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。

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。可以计算出所需的共模电感量为：。

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，可以计算出所需差模电感量为：。

共模电感的差模电感

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线和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。

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零点偏离，如果偏离太大，芯体便会发生磁饱和现象，使共模电感基本与无磁芯的电感一样。结果，共模辐射的强度就如同电路中没有扼流圈一样。差模电流在共模环形线圈中引起的磁通偏离可由下式得出：。式中，是芯体中磁通变化量，Ld是差模电感，Idm是差模峰值电流，n为共模线圈的匝数。由于磁芯具有饱和磁感应强度Bs，为了防止芯体发生磁饱和现象，有以下法则：，式中，Idm（max）是差模峰值电流。Bs是磁感应强度的最大偏离，n是线圈的匝数，A是环形线圈的横截面积。

共模电感磁芯选型

对于主要作用是滤除低频噪声的共模电感，应当选用高磁导率的锰锌铁氧体磁芯；相反，应该选用适用于高频的镍锌铁氧体磁芯或磁粉芯磁芯。通常适用于高频的磁芯，因其具有分布式气隙，故磁导率相对较低，二者不可兼得。不过，与普通电感器不同的是，共模电感的作用是对噪声信号形成较大的插入损耗，以减小噪声干扰。锰锌铁氧体在高频时，虽然其有效磁导率很小，但磁芯损耗随频率增加而增大，对高频噪声有较大的阻碍作用，所以也能减弱高频干扰，只是效果相对较差。然而，较大的磁芯损耗会导致磁芯发热，而损耗较小的磁芯价格也较高。

共模电感的设计流程

共模电感设计所需的基本参数为：输入电流，阻抗及频率。设计步骤如下：

1.线径选取：输入电流决定了绕组所需的线径，在计算线径时，电流密度通常取值为400A/cm2为保证温升应力不超标，最大的电流密度为800A/cm2；通常情况下，绕组使用单根导线作业，这样可削减高频噪声及趋肤效应损失。

2.电感量计算：共模电感的阻抗在所给的频率条件一般规定为最小值，由L=Xs/2πf，可得出共模电感线圈感值大小。

3.磁芯型号选型：如果有规定共模电感空间，我们就按此空间来选取合适的磁芯型号，如没有规定，通常磁芯型号的随意选取；

4.磁芯材质选型：根据共模电感适用频段，可初步选定磁芯材质；由磁芯的型号和线径可算出可绕线匝数，再结合电感量，可得出磁芯的最小电感系数；最后，结合价格因素综合考虑，即可选定磁芯材质。