共模电感浅谈

1、共模电感浅谈存储与多媒体产品线彭浩版本历史版本/状态责任人起止日期备注1.0/草稿彭浩2021-01-042021-02-06小组内部讨论目录1 .共模电感简介32 .共模电感用于EMI滤波器42.1 噪声测量方法42.2 滤波器电路结构分析42.3 滤波器元器件参数计算62.4 共模电感的差模电感73 .共模电感的寄生参数93.1 寄生电容Ci、C293.2 电感Llk、Lc113.3 等效电阻Rc、Rw114 .磁芯材料与共模电感磁芯选型124.1 铁氧体磁芯124.2 磁粉芯与高磁通磁粉芯124.3 共模电感磁芯选型135 .共模电感的设计流程146 .共模电感安规管控151 .共模电感

2、简介共模电感,也叫扼流圈,常用在开关电源中过滤共模的电磁干扰信号.共模电感是一个以铁氧体等为磁芯的共模干扰抑制器件,它由两个尺寸相同,匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上,线圈的绕制方向相反,形成一个四端器件.当两线圈中流过差模电流时,产生两个相互抵消的磁场Hi、H2,此时工作电流主要受线圈欧姆电阻以及可以忽略不计的工作频率下小漏感的阻尼,所以差模信号可以无衰减地通过,如图1-1所示；而当流过共模电流时,磁环中的磁通相互叠加,从而具有相当大的电感量,线圈即呈现出高阻抗,产生很强的阻尼效果,到达对共模电流的抑制作用因此共模电感在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号,而对线路正常传输的差

3、模信号无影响.图1-1差模信号通过共模线圈2 .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央内.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、丫电容组成EMI滤波器,滤除差模噪声和共模噪声.2.1 噪声测量方法图2-1所示为典型的噪声测量结构图,噪声的测量主要通过LISN来实现.LISN是指线路阻抗稳定网络,是传导型噪声测量的重要工具.其内部结构如图2-1中虚线框内所示,高频时,电感相

4、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,滤除由输入电源线引入的噪声及干扰,并且在50a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25,差模负载阻抗为100,测量到的噪声电压如式(2-1)(2-2)所示：Vl25Icm50Idm(2-1)Vn25Icm50Idm(2-2)Vl扫描和Vn扫描分别都要求满足限值要求.2.2 滤波器电路结构分析由X电容、共模电感和Y电容组成的滤波器如图2-2所示：图2-2EMI滤波器电路图2.2.1 共模等效电路图2-3为滤波器的共模等效电路图,由于CX对于共模噪声不起作用,故将其略去,并且以接地点LISN为对称点

5、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先的两倍,提供的两个50的电阻负载也并联成为25的等效负载.这个25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2CYZCM和LCLISN滤波器共模噪声源图2-3共模等效电路图25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.容易看出此等效电路为LC二阶低通滤波电路,其转折频率为i(2-3)2Lc2Cy其插入损耗随着噪声频率以40dB/dec的斜率增力口.2.2.2 差模等效电路与上面共模等效电路分析的方法相类似,等效差模电感量为2Ld,LISN

6、提供的两个50的电阻负载也串连成为100的负载阻抗.两个Cy的等效电容值因串联变为原来的一半,但由于差模噪声源阻2抗Zcm一般较小,通常?t足Zdm,因此可将Y电容忽略.由此得到简化的差模等效电路Cy图,如图2-4所示.1在满足LdZdm和一二"Cx100的条件下,阻抗失配极大化,滤波器对于差模噪声的插入损耗也尽可能大.与共模等效电路一样,这也是LC二阶低通滤波电路,其转折频率为:fRCM12-Ld-Cx(2-4)其插入损耗随着噪声频率也是以40dB/dec的斜率增力口.2.3 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

7、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,但同时本钱和体积也相应增加.而且由材料特性可知,当电感电容值越大时,可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,由于电容值.选取Cy后,利用已经得到的转折频率12fRCM212Cy(2-5)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.

8、在决定差模电容值感值可通过式2-4计算出所需差模电感量为：Cx之后,差模电Ld2fRDMCX(2-6)2.4共模电感的差模电感将共模电感的一个线圈短路,测量另外一个线圈的电感,或者短接一对同名端,测另一对同名端的电感,即为两个线圈的差模电感之和.那么各个线圈的差模电感分别是多少呢？共模电感的磁通并不是完全封闭在磁芯内,有局部泄露在空气中.设磁芯中的磁场强度为H,空气中的磁场强度为H'磁芯的磁导率为,空气的磁导率为',应有磁芯的横截面节为S、磁路长度为l,假设空气中磁通均匀分布在面积为S'、磁路长度为l'的空间中,l=l'.不妨假设S=S由安培环路定理有H

9、dlNI,N为共模电感的匝数,即Cy受安规限制,其值不能太大,应该选择符合安规的最大fRcm,可以通过式2-3计算出所需共模电感量为:HlH'lNI(2-7)LINHS'H'S(2-8)其中LcNHSI,LdN'H'S(2-9)由(2-7)(2-8)可得HLINS,NlH'NILIlNS(2-10)将2-10带入2-9,可得LcLNS-NS,Nl；l(2-11),NL-2LdN'S-lNSL(2-12),'(')l'由于'N2'SN2'S',所以LcL-LLdL(2-13),那么Ld

10、iLd2(L2Li),LciLc2(1)(LiL2)(2-14),由(2-14)式可知,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,一般在土5%以内.L现和由于',在两线圈电感之差不大的情况下,可认为Ld1=LD2,因而共模电感单个线圈的差模电感即为测得的漏感的一半.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

11、会发生磁饱和现象,使共模电感根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：LDIdm(2-15)n式中,是芯体中的磁通变化量,Ld是差模电感,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,为了预防芯体发生磁饱和现象,有以下法那么:,nBsALd(2-16)Idm(max)式中,Idm(max)是差模峰值电流,Bs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.3 .共模电感的寄生参数共模电感广泛应用于EMI滤波器中,对抑制传导干扰具有重要作用.然而,由于共模电感的寄生参数效应,使得

12、滤波器的高频滤波性能变差,如滤波器的插入损耗减小,可用频带变窄,无法在传导干扰考虑的0.1530MHz范围内正常工作.共模电感的寄生参数主要有导线和磁芯损耗(磁损),以及绕组的寄生电容.其中磁损由涡流损耗、磁滞损耗以及剩余损耗组成,影响磁损的因素很多,有频率、磁感应强度、温度、波形等,因而磁芯损耗是非线性的；共模电感的寄生电容即为绕组匝与匝、匝与地、匝与磁芯、绕组与绕组间的电容.通过适当简化铁氧体磁芯损耗,将非线性的磁芯损耗用一个与频率相关的电阻元件等效；通过阻抗测量来提取共模电感的寄生电容和共模电感的漏感,可建立了考虑寄生参数的共模电感集中参数模型,如图3-1所示.Rw表示绕组等效电阻,Rc

13、为磁心等效电阻；Ci为绕组匝间的寄生电容；C2为两个绕组间的寄生电容图3-1共模电感模型3.1寄生电容Ci、C2寄生参数C可以通过阻抗测量的方法获取.图3-2为测量C1的原理图.cajdp-1P1O因LD疗等做电路径(b)测贵匚1电静图图3-2测量C1的原理图共模电感P1与P2端短接,P3与P4端短接,如图3-2a所示,测量P1(P2),P3(P4)端的谐振频率CR2一fr,由于1,那么fr2衣1_,其中电感值L=Lc+Ld,1-一因而2cl22.由于L与2frL磁芯磁导率成正比,如果随频率改变,L也随之变化为非线性电感,因此确定fr下的电感值比拟困难.提取C1参数的另一种方法是用外部并联电容

14、Cext来测量,如图3-2b所示,电路谐振频率为:fext2J2C1Cext(3-1)如果Cext分别为Cext1,Cext2,那么电路谐振频率为:fext12L2C1Cext1(3-2)2.L2C1Cext2(3-3)由式3-2得:2Gfe2t2Lext2Cext2fext112(3-4)f2J-f2Jcext1ext1ext2ext2式中：Lext1,Lext2分别为电感在fext1,fext2下的电感值.ext1Cext1如果Cext1,Cext2选择适宜,fext1)fext2那么比拟接近,认为lext1Lext2?化简式3-4得:2q在P1、P2端并联一个电感,测量P1、tb等效电路

15、图f2cCcf2C_Iext2ext2extA-,ext172一72(3-5)fext1fext2P2端的谐振频率,可提取C2参数,其原理图如图3-3a所示.由于Ld、C1、C2、Rc、Rw数值很小,因此可忽略C1、Ld、Rc、Rw影响,近似为两个C2并联,等效电路如图3-3b所示.C0为并联电感寄生电容,R0为寄生电阻图3-3测量C2原理图应选用寄生电阻Ro尽可能小的并联电感,这样在测量频率内可以忽略Ro的影响.测量P1,P2端的谐振频率fo,那么得：“1-、2c22-Co3-62foLo3.2 电感Llk、Lc假设共模电感和差模电感是独立的,那么用分立的差模电感来模拟LlKo将共模电感P3

16、、P4端短路,测量Pl、P2端,即可测得共模电感的漏感.铁氧体磁芯的磁导率随频率变化,因而电感也随之变化为非线性电感.因Llk较小,忽略其随频率变化,共模电感Lc的数值一般非常大,需考虑Lc随频率变化.3.3 等效电阻Rc、Rw磁性元件的损耗由两局部组成：铜损和磁损.铜损为电流流过线圈所产生的损耗,用电阻Rw等效.在高频时由于趋肤效应和临近效应,较低频下损耗有所增加,因等效电阻Rw在高频时远小于磁心等效电阻Rc,故可忽略绕组等效电阻的影响.磁损指磁性材料的损耗,影响磁损的因素很多,有频率、磁感应强度、温度、波形等.基于等效电路的原理,将磁芯损耗等效为电阻损耗,表示为Rco这样,非线性的磁芯损耗

17、就能用一个线性元件来表示.仅考虑电阻与频率的关系,设其与单变量f的模型为：2RCfc0Gfc2f3-7多项式的次数选择二次,太低缺乏以描述其内部规律,太高易引起数值振荡.待定系数Co,C1,C2的获取分为两个步骤：短接Pl、P2和P3、P4,测量不同频率下Pl、P4端的阻抗Rs和电抗Xs；由于Llk<<Lc,忽略Llk,那么有：RCRs222223-81 2Lc2cl2clRc2 2Lc1Lc2Ci2CiRcLcXS2222T3-912Lc2Ci22CiRc式中：2f.再用回归分析计算出待定系数Co,Ci,C2.4 .磁芯材料与共模电感磁芯选型常见的磁芯材料有铁氧体磁芯、磁粉芯和高

18、磁通磁粉芯,其中常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯和铁硅铝粉芯.4.1 铁氧体磁芯铁氧体磁芯是由致密匀质的陶瓷结构非金属磁性材料制成.它由氧化铁Fe2O3和一种或几种其他金属例如镒、锌、馍、镁的氧化物或碳酸盐化合物组成.铁氧体原料通过压制,后经1300c高温烧结,最后通过机器加工制成满足应用需求的成品磁芯.铁氧体磁芯分为镒锌类和馍锌类.馍锌类的特点是：初始磁导率低小于1000,但是可以工作在比拟高的频率大于100MHz下,保持磁导率不变.由于馍锌系磁芯有很低的初磁导率,所以在低频时,不可产生高阻抗特性.而镒锌系那么恰恰相反,其具有很高的初始磁导率,但在频率很低20KHz时,磁导率会衰减.镒锌系

19、磁芯在低频时,能提供非常高的阻抗特性,非常适用于减小10KHz至1150MHz的电磁干扰.4.2 磁粉芯与高磁通磁粉芯磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料.磁粉芯具有均匀分布式气隙,因而拥有高电阻、低磁滞、低涡流损耗和软饱和等许多优秀的磁特性,以及在直流和交流条件下极佳的电感稳定性.由于铁磁性颗粒很小高频下使用的为0.55um,又被非磁性电绝缘膜物质隔开；因此,一方面可以隔绝涡流,适用于较高频率；另一方面由于颗粒之间的间隙效应,导致材料具有低磁导率及恒导磁特性；又由于颗粒尺寸小,根本上不发生驱肤现象,磁导率随频率的变化也就较为稳定,主要用于高频电感.磁粉芯的磁电性能主要取决

20、于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等.铁粉芯是一种常用的软磁类磁粉芯,由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成,在粉芯中价格最低.饱和磁感应强度值在1.4T左右,磁导率范围从22100,初始磁导率随频率的变化稳定性好,直流电流叠加性能好,但高频下损耗高.铁粉芯被广泛用于RF应用上.由于铁粉芯中固有的分布式气隙特性,因此铁粉芯常用于储能式电感中.此外,用铁粉芯来替代坡莫合金磁芯、高磁通量磁芯或铁硅铝磁芯是一种高性价比设计.相对铁粉芯而言,铁硅铝磁芯的磁芯损耗低的多；铁硅铝磁芯的磁致伸缩接近于零,非常适用于消除滤波电感中的音频噪音；铁硅铝磁芯在制造时

21、没有使用有机粘结剂,因此没有任何热老化的问题；最后,铁硅铝磁芯能在200c下连续操作,而铁粉芯只能工作于130c以下.而坡莫合金磁芯的磁芯损耗比铁硅铝磁芯的更低,当然价格也更高.对于要求损耗极低的电感器,应使用坡莫合金磁芯.需要在低本钱下具备合理的低磁损和高饱和度,那么应该使用铁硅铝磁粉芯,由于本钱符合经济效益.对于直流偏置为主导,且要求尺寸小的设计,应当使用具有最高的磁通量的高磁通磁芯.上述几种磁芯材料性能比照详见右边文档电感器磁了材料性能比拟表.pdf4.3 共模电感磁芯选型选用共模电感的磁芯时,形状尺寸、适用频段、价格、温升等因素都需要予以考虑.上述磁芯材料中,铁氧体磁芯的形状最多样；而

22、磁粉芯和高磁通磁粉芯的形状仅限于环形等形状.共模电感常用的磁芯为U型、E型和环形.相对而言,环形磁芯比拟廉价,由于环形只有一个就可制作；而其他形状的磁芯必须有一对才能为共模电感所用,且在成型时,考虑两磁芯的配对问题,还须增加研磨工序如镜面磁芯才能得到较高的磁导率,对于环形磁芯却不需如此；与其它形状磁芯相比环形磁芯有较高的有效磁导率,由于两配对磁芯在装配时,无论怎样作业都不可消除气隙的现象,故有效磁导率比单一封闭形磁芯要低.但环形磁芯绕线本钱较高,因其他形状磁芯有一配套线架在使用,绕线可以机器作业,而环形磁芯只可以手工作业或机器速度较低作业；且磁环孔径小,机器难以穿线,需要人工去绕,费时费力,加工本钱高,效率低；安装不便,假设是加底座,那么本钱会上升.综合性能比起来,磁环性能较好,价格也较高.由于本钱的因素,磁环大多用在大功率的电源上.当然由于体积小,对体积有要求的小功率电源,可以采用磁环磁芯.对于主要作用是滤除低频噪声