開關(guān)電源開發(fā)過程中如何選擇共模電感？

電感器作為磁性元件的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于電力電子線路中。尤其在電源電路中更是不可或缺的部分。如工業(yè)控制設(shè)備中的電磁繼電器，電力系統(tǒng)之電功計(jì)量表（電度表）。開關(guān)電源設(shè)備輸入和輸出端的濾波器，電視接收與發(fā)射端之調(diào)諧器等等均離不開電感器。電感器在電子線路中主要的作用有：儲(chǔ)能、濾波、扼流、諧振等。在電源電路中，由于電路處理的均是大電流或高電壓的能量傳遞，故電感器多為“功率型”電感。正是因?yàn)楣β孰姼胁煌谛⌒盘?hào)處理電感，在設(shè)計(jì)時(shí)因開關(guān)電源的拓?fù)浞绞讲灰粯樱O(shè)計(jì)方式也就各有要求，造成設(shè)計(jì)的困難。當(dāng)前電源電路中的電感器主要用于濾波、儲(chǔ)能、能量傳遞以及功率因數(shù)校正等。電感器設(shè)計(jì)涵蓋了電磁理論，磁性材料以及安規(guī)等諸多方面的知識(shí)，設(shè)計(jì)者需對工作情況和相關(guān)參數(shù)要求（如：電流、電壓、頻率、溫升、材料特性等）有清楚了解以作出最合理的設(shè)計(jì)。

電感器的分類

電感器以其應(yīng)用環(huán)境、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、形狀、用途等可分為不同種類，通常電感器設(shè)計(jì)是以用途及應(yīng)用環(huán)境作為出發(fā)點(diǎn)而開始的。在開關(guān)電源中以其用途不同，電感器可分為：

共模濾波電感器（Common Mode Choke）

常模濾波電感器（Normal Mode Choke）

功率因數(shù)校正電感（Power Factor Correction - PFC Choke）

交鏈耦合電感器（Coupler Choke）

儲(chǔ)能平波電感（Smooth Choke）

磁放大器線圈（MAG AMP Coil）

共模濾波電感器因要求兩線圈具有相同的電感值，相同的阻抗等，故該類電感均采用對稱性設(shè)計(jì)，其形狀多為TOROID、UU、ET等形狀。

共模電感的工作原理

共模濾波電感器又稱共模扼流線圈（以下簡稱共模電感或CM.M.Choke）或Line Filter。

在開關(guān)電源中，由于整流二極管和濾波電容以及電感中的電流或電壓急劇變化，產(chǎn)生電磁干擾源（noise），同時(shí)輸入電源中也存在工頻以外的高次諧波噪聲，這些干擾若不加以扼制，將對負(fù)載設(shè)備或開關(guān)電源本身造成損害，因此若干國家之安規(guī)機(jī)構(gòu)對電磁干擾（EMI）發(fā)射量均作出了相應(yīng)的管制規(guī)定。當(dāng)前開關(guān)電源的開關(guān)頻率日趨高頻化EMI也隨之日益嚴(yán)重，所以開關(guān)電源中均須設(shè)置EMI濾波器，EMI濾波器需對常模及共模噪聲均作出相應(yīng)的抑制，以達(dá)到某一規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。常模濾波器負(fù)責(zé)濾出輸入或輸出端兩根線間之差模干擾信號(hào)，共模濾波器負(fù)責(zé)濾出兩條入線之共模干擾信號(hào)。實(shí)際共模電感因其工作環(huán)境不同，又可分為AC CM.M.CHOKE；DC CM.M.CHOKE和SIGNAL CM.M.CHOKE三種，在設(shè)計(jì)或選用時(shí)應(yīng)于以區(qū)分。但其工作原理完全相同，工作原理如圖（1）所示：

圖1共模電感的作用

如圖所示，在同一磁環(huán)上繞上兩組方向相反的線圈，據(jù)右手螺旋管定則可知，當(dāng)在輸入端A、B兩端加上極性相反，信號(hào)幅值相同的差模電壓時(shí)，有實(shí)線所示的電流i2，在磁芯中產(chǎn)生實(shí)線所示的磁通Φ2，只要保證兩繞組完全對稱，則磁芯中兩不同方向之磁通相互抵消。總磁通為零，線圈電感幾乎為零，對常模信號(hào)無阻抗作用。若在輸入端A、B兩端加上極性相同，幅值相等的共模信號(hào)時(shí)，有虛線所示的電流i1，在磁芯中產(chǎn)生虛線所示的磁通Φ1，則磁芯中磁通有相同的方向而互相加強(qiáng)，使每一線圈的電感值為單獨(dú)存在時(shí)的兩倍，而XL =ωL，因此，此一繞法的線圈對共模干擾有很強(qiáng)的抑制作用。

實(shí)際的EMI濾波器由L、C組合而成，設(shè)計(jì)時(shí)也常常將差模與共模抑制電路組合在一起（如圖2），因此，設(shè)計(jì)時(shí)需依據(jù)濾波電容的大小以及所需符合的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)作出電感值的決定。

圖中L1、L2、C1構(gòu)成常模濾波器，L3、C2、C3構(gòu)成共模濾波器。

圖2 EMI濾波器電路

在設(shè)計(jì)共模電感之前，首先要考察線圈須行符合以下原則：

1 >正常工作狀態(tài)下，不致因通電電源電流而造成磁芯飽和。

2 >對高頻干擾信號(hào)要有足夠大的阻抗，且有一定的頻寬，而對工作頻率之信號(hào)電流有最小的阻抗。

3 >電感的溫度系數(shù)應(yīng)小，而分布電容宜小。

4 >直流電阻應(yīng)盡量小。

5 >感應(yīng)電感應(yīng)盡量大，電感值需穩(wěn)定。

6 >繞組間之絕緣性須滿足安規(guī)要求。

共模電感器之設(shè)計(jì)步驟：

Step 0 SPEC取得：EMI允許級(jí)別，應(yīng)用位置。

Step 1電感值確定。

Step 2 core材質(zhì)及規(guī)格確定。

Step 3繞組匝數(shù)及線徑確定。

Step 4打樣

Step 5測試

設(shè)計(jì)舉例

圖3實(shí)際EMI濾波器

Step 0 : 如圖3所示EMI濾波電路

CX = 1.0 Uf Cy = 3300PF EMI等級(jí) : Fcc Class

Type : Ac Common Mode Choke

Step 1：電感（L）確定：

由電路圖可知共模信號(hào)由L3和C2、C3組成的共模濾波器抑制，實(shí)際L3與C2和C3構(gòu)成兩路LC串聯(lián)電路，分別吸收L和N在線的噪聲。只要確定濾波電路的截止頻率，也已知電容容量C，則可以下式求出電感L。

fo= 1/(2π√LC)L → 1/(2πfo)2C

通常EMI測試頻寬如下：

傳導(dǎo)干擾：150KHZ →30MHZ（注：VDE標(biāo)準(zhǔn)10KHZ - 30M）

輻射干擾：30MHZ 1GHZ

實(shí)際的濾波器無法達(dá)到理想濾波器那樣陡峭的阻抗曲線，通?？蓪⒔刂诡l率設(shè)定在50KHZ左右。在此，假設(shè)f o = 50KHZ，則

L =1/(2πfo)2C = 1/ [( 2*3.14*50000)2 *3300*10-12] = 3.07mH

L1、L2、C1組成（低通）常模濾波器，線間電容有1.0uF，則常模電感為：

L = 1/ [( 2*3.14*50000)2 *1*10-6] = 10.14uH

如此，可得到理論要求的電感值，若想獲得更低的截止頻率fo，則可進(jìn)一步加大電感值，截止頻率一般不低于10KHZ。理論上電感量越高對EMI抑制效果越好，但過高的電感將使截止頻率更低，而實(shí)際的濾波器只能做到一定寬帶，也就使高頻噪聲的抑制效果變差（一般開關(guān)電源的噪聲成分約為5 ~10MHZ間，但也有超過10MHZ之情形）。另外，電感量愈高，則繞線匝數(shù)愈多，或CORE之ui越高，如此將造成低頻阻抗增加（DCR變大）。匝數(shù)增加使分布電容也隨之增大（如圖4），使高頻電流全部經(jīng)此電容流通。過高的ui使CORE極易飽和，同時(shí)制作也極困難，成本也較高。

圖4有分布電容Cd之等效電路圖

Step 2 CORE材質(zhì)及SIZE確定

從前述設(shè)計(jì)要求中可知，共模電感器需不易飽和，如此就需要選擇低B - H角形比之材料，因需要較高的電感值，磁芯的ui值也就要高，同時(shí)還必須有較低的磁芯損耗和較高的Bs值，符合上述要求之CORE材質(zhì)，目前以Mn - Zn鐵氧體材料CORE最為合適。

COEE SIZE在設(shè)計(jì)時(shí)并無一定的規(guī)定，原則上只要符合所需電感量，且在允許的低頻損耗范圍內(nèi)，以所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品體積最小化即可。

因此，CORE材質(zhì)及SIZE提取應(yīng)以成本、允許損耗、安裝空間等作考察。共模電感常用CORE之ui約在2000 ~ 10000之間。Iron Powder Core也有低的鐵損，高的Bs和較低的B - H角形比率，但其ui較低，故一般不被應(yīng)用于共模電感，而該類磁芯卻是常模電感器之優(yōu)選材料。

Step 3確定匝數(shù)N和線徑dw

首先確定CORE之規(guī)格，如本例采用T18*10*7、A10、AL = 8230±30%，則：

N = √L / AL = √(3.07*106 ) / (8230*70%) = 23 TS

線徑以電流密度3 ~ 5A / mm2為選擇原則，若空間允許可選擇盡量低的電流密度。假設(shè)本例輸入電流I i = 1.2A，取J = 4 A / mm2

則Aw = 1.2 / 4 = 0.3 mm2 Φ0.70 mm

實(shí)際的共模電感還必需通過實(shí)做樣品進(jìn)行測試，方可確認(rèn)設(shè)計(jì)之可靠性，因?yàn)橹谱鞴に嚨牟町愐矊?dǎo)致電感參數(shù)的差異而影響濾波效果，如分布電容的增加，將使高頻噪聲更易傳遞，兩繞組的不對稱性，使兩組感量差異變大，對常模信號(hào)形成一定阻抗。

小結(jié)

1 >共模電感器的作用是濾除線路中的共模噪聲，設(shè)計(jì)時(shí)要求兩繞組具有完全對稱的結(jié)構(gòu)，電參數(shù)相同。

2 >共模電感的分布電容對抑制高頻噪聲有負(fù)面影響，應(yīng)盡量減小。

3 >共模電感的感值與須濾除的噪聲頻帶及配合電容容量有關(guān)，通常感值在2mH ~50 mH之間

編輯：amy  最后修改時(shí)間：2019-05-13