标签: 差模电感

摘要 EMI抑制方案有许多组合，包括滤波器组合、变压器绕线安排，甚至PCB布局。本文提供一种结合共模电感与差模电感的磁混成，称之为混成式共模电感器。不仅保留共模电感的高阻抗特性，同时利用其很高漏电感当成差模电感用。不仅可以缩小体积节省滤波器成本，更提供了工程师快速解决传导型EMI 问题的方法。 混成式共模电感的原理与功能 在常规单级EMI 滤波器电路中，如图一，有共模噪声滤波器 (LCM、CY1与CY2) 与差模噪声滤波器 (LDM、CX1与CX2) 分别形成”LC滤波器”衰减共模与差模噪声。共模电感通常以高导磁锰锌 (Mn-Zn) 铁氧体 (Ferrite) 制成，电感值可达1~50mH。共模电感器，如图二，由于绕线极性安排，虽然两组线圈分别流过负载电流，但铁芯内部磁力线互相抵消，一般不存在铁芯饱和的问题。常用的铁芯有环型 (Toroidal)、UU型 (UU-9.8、UU-10.5等)、ET型与UT型，如图三。为了获得足够的共模电感值，要尽量让两组线圈的耦合达到最好，所以多采用施工成本较高的环型或一体成型的ET与UT 铁芯。 图一、常规EMI滤波器结构 图二、共模电感器 图三、共模滤波器(a)环型(b)ET型(c)UU型(d)UT型 从共模电感的工作原理与等效电路来看，如图四所示，双绕组的共模电感虽然有很好的耦合，但是还是存在漏电感，漏电感就是由漏磁通造成。这个漏电感在等效上串联在电路上，功能上与差模电感无异。所以可以说，共模电感器的漏电感可以利用来做为差模滤波器。然而如图三所示的共模电感器，由于机械结构的关系，其漏电感都很小，约莫在数mH到100mH。如果要得到更大的漏电感，只有增加匝数一途，如此一来，线径变细，电流耐受降低。要改善只有增加铁芯尺寸，当然也增加了滤波器的体积与成本。许多要求极高共模电感的应用，其实不在滤除共模噪声，而是要得到较大的漏电感当差模滤波器用，只是许多工程师不甚清楚罢了。 图四、共模电感器的等效模型 为了增加共模电感的漏电感，特殊的铁芯结构与绕线方法称为混成式共模电感器 (Integrated Common-mode Choke) 或者称混成共模电感器 (Hybrid Common-mode Choke)，如图五所示。这样的结构，不仅可以保留共模电感量以充分滤除共模噪声，而且其漏电感形成的差模电感可以高达数百mH，配合适当的X电容，可以有效的滤除中低频段 (150kHz~3MHz) 的差模 信号。实验证明混成式共模电感器不仅具有很好的滤波特性，低成本与小体积更是最大的优点。 图五、立式与卧式混成式共模电感器 主要的电气参数 混成式共模电感器除保留了常规的共模电感器的规格外，还兼具差模电感的特性。一般除了用共模与差模电感量标示外，还要以以下参数来规范。 (1)共模阻抗 (Common-mode Impedance, ZCM) : 相较于电源阻抗稳定网络 (Line Impedance Stabilization Network, LISN)的高频等效电阻 (共模为25W)，滤波用的共模阻抗越大越好。除了铁芯材质外，绕线的方法(槽数)更影响高频阻抗的高低。图六为共模阻抗的量测法，图七为ASU-1200系列共模阻抗特性图。由于绕线的层间杂散电容 (Stray Capacitance, CS) 存在，高频时将变为电容性；CS越小越好。 图六、共模阻抗量测 图七、ASU-1200系列共模阻抗特性图 (2)共模电感 (Common-mode Inductance, LCM) : 传统上，习惯以外加测试电压 (VOSC)与频率来规范共模电感。依铁芯材料特色，共模电感以VOSC = 1Vac @100kHz 量测较为稳定。 (3)差模阻抗 (Differential-mode Impedance, ZDM) : 同样的，量测等效差模阻抗的方法如图八所示，用差模阻抗特性图 (如图九)来定义差模滤波的效能；相较于LISN 的等效电阻100W，差模阻抗也是越大越好。当然高频时一样会变成电容性，但只要阻抗够大，一样有滤波的效果。 图八、差模阻抗量测 图九、ASU-1200系列差模阻抗特性图 (4)差模电感 (Differential-mode Inductance, LDM) : 差模电感一样可以VOSC = 1Vac @100kHz 来规范。在实用上，混成式差模电感量必须在100mH 以上，配合X电容，才能有效的滤除差模噪声。 (5)差模饱和电流 (Isat) : 如前所述，因为等效差模电感必须流过负载电流，在负载电流的峰值下，差模电感不能饱和，否则其滤除噪声的能力将降低。图十为一般桥式整流滤波电路的输入电流波形。必须确保在最大电流峰值下，差模电感量没有因饱和而下降。传统上，以电感值衰减20% (相对于没有直流偏置) 为其差模饱和电流。 (a) (b) 图十、(a) 全桥滤波电路 (b) 输入电流波形 (6)有效承受电流(Irms) : 等效上就是规范线径粗细。虽然如图十的输入电流波形，但其有效值并不高，一般可以两倍的输出功率除以最低输入电压估计。例如全电压范围25W 的电源适配器，输入电流的有效值约为 2*25W/90Vac = 0.55A。 表一为ASU-1200 系列的电气参数表 LCM(mH) ±20% LDM(mH) ±10% Isat(A) Irms(A) ASU-1201 4.0 143 3.2 1.00 ASU-1202 6.0 220 2.9 0.80 ASU-1203 9.0 310 2.4 0.75 ASU-1204 12.0 410 2.2 0.75 ASU-1205 16.0 530 1.9 0.60 ASU-1206 20.0 670 1.8 0.55 应用电路 混成式共模电感器，简单说就是一个传统共模电感与一个(或两个)差模电感的混成。在应用上，EMI工程师必须选定需要的共模电感、差模电感以及相关的差模饱和电流与承受电流。ASU-1200 系列混成式共模电感适合应用在25W到50W的Flyback 电路或120W以下PFC 电路。图十一为两种应用混成式共模电感器的Flyback 电路。 (a) (b) 图十一、两种应用混成式共模电感器的Flyback 电路 (a) 常规位置搭配X电容 (b) 置于桥整后与电解电容形成P型滤波器 图十二为应用在临界导通模式 (Boundary Conduction Mode) 主动功因改善 (PFC) 电路的滤波器。 图十二、应用于PFC电路的混成共模电感器 图十三到图十五为应用ASU-1203混成式共模电感器在一个24W (12V/2A) 的离线式Flyback 电源中EMI 的表现。明显地可以看出这种共模电感不只有效的衰减共模噪声，同时其差模电感也大量的衰减差模噪声。整体而言，装有ASU-1203 的EMI 表现，在中低频段约有30dB的衰减。 图十三、共模噪声衰减 (蓝色曲线为装有ASU-1203 的共模噪声量测图) 图十五、总噪声衰减 (蓝色曲线为装有ASU-1203 的总噪声量测图) 图十四、差模噪声衰减 (蓝色曲线为装有ASU-1203 的差模噪声量测图) 来源： 立錡科技

在众多电感产品中，差模电感和共模电感是两种比较常见的电感类型。但是，很多时候大家可能会将其混淆。那么，你知道怎么判断是差模电感还是共模电感吗？ 要分辨究竟是差模电感还是共模电感，就要先了解来两个概念。差模电电流指两个线圈中的电流大小相等、方向相反的电流；共模电流指两个线圈中的电流大小相等，方向相同的电流。判断差模电感和共模电感，其实主要就是区分差模电流和共模电流。 判断方法，我们可以通过测量电路中的信号来判断差模电感和共模电感。我们可以尝试将来给你个线圈串联在一起，然后用一个交流信号源分别给这来给这两个线圈通电，如果测量得到的信号是相位相差180都的正弦波，那么这就是一个差模电感。如果测量得到的信号是通向为的正弦波，那么这就是一个共模电感。 其实，在实际的应用中，差模电感和共模嗲更难往往是同时存在的。大家在判断的时候，要结合实际的情况来分析。

           共模电感 是两个绕组分别接在零线和火线上,两个绕组同进同出,滤除的是共模信号。 共模信号 :  分别在零线和火线上的两个完全相同的信号 他们都通偶合和地形成回路。共模电感的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。       差模电感 是一个绕组 单独接在零线和火线上的滤波电感器只能滤除差模干。. 差模信号 : 是和有用信号同样的回路。            串模干扰是指干扰电压与有效信号串联叠加后作用到仪表上的。串模干扰通常来自于高压输电线、与信号线平行铺设的电源线及大电流控制线所产生的空间电磁场。由传感器来的信号线有时长达一二百米，干扰源通过电磁感应和静电耦合作用加上如此之长的信号线上的感应电压数值是相当可观的。例如一路电线与信号线平行敷设时，信号线上的电磁感应电压和静电感应电压分别都可达到毫伏级，然而来自传感的有效信号电压的动态范围通常仅有几十毫伏，甚至更小。除了信号线引入的串模干扰外，信号源本身固有的漂移，纹波和噪声，以及电源变压器不良屏蔽或稳压滤波效果不良等也会引入串模干扰。 　　在差分放大器中，放大器不能区分串模干扰和信号，会一并加以放大。因此，差模干扰是差分放大电路最难克服的问题之一。克服差模干扰最常用和有效的方法是用双绞线传输信号，并且双绞线的绞距越小、线距越近则抑制串模干扰的能力越强。局域网中广泛使用的五类线就是如此。但在某些不能使用双绞线的情况下（例如AV、CATV的同轴电缆），则只能通过加强线本身的屏蔽、合理布线解决。           通常线路上的差模分量和共模分量是同时存在的，而且由于线路的阻抗不平衡，两种分量在传输中会互相转变。干扰在线路上经过长距离的传输后，差模分量的衰减要比共模分量大，因为线间阻抗与线地阻抗不同的缘故。共模干扰的频率一般分布在1mhz以上，在传输的同时，会向临近空间辐射，，耦合到信号电路中形成干扰，很难防范。差模干扰的频率相对较低，不易形成空间辐射，已经有良好的处理措施，降低共模干扰，设备的敏感度问题大都是由共模干扰引起的。         系统的电磁兼容性，实际上体现在两个方面：一方面，一个系统必须以整体电磁环境为依据，要求每个用电设备不产生超过一定限度的电磁发射；另一方面，又要求它具有一定的抗干扰能力。国际电工技术委员会（IEC）的定义是：电磁兼容是设备的一种能力，是设备在其电磁环境中能完成它的功能，而不至于在其环境中产生不允许的干扰。共模电信号是辐射的主要源泉，不包含有用信息。共模起源于公共金属结构（比如电源面和接地层）中的公共电流。典型的发生条件是电流从导电平面内意料之外的通路流过。当返回的电流与它们原来的信号通路不配对（比如在平面内有裂缝等），或者几个信号有公共返回区域，共模电流就产生了。           减小共模辐射的方法：1、尽量减小激励次天线的源电压，即地电位；2、提供与电缆串联的高共模阻抗，即加共模扼流圈；3、将共模电流旁路到地；4、电缆屏蔽层与屏蔽壳体作360°端接。这里 ，采用接地平面就能有效地减小接地系统中的地电位。      EMI滤波器主要是消除或降低传导干扰，此滤波电路也分为抗共模和抗差模干扰电路，参见下图所示：           测试时，首 先 测 出 传 导 干 扰 电 平 与 所 规 定 的 EMC标 准 极 限 比 较 ， 一 般 0.01MHz～ 0.1MHz是 差 模 干 扰 起 主 导 作 用 ， 0.1MHz～ 1MHz是 差 模 与 共 模 干 扰 联 合 作 用 ， 而 1MHz～ 30MHz主 要 是 共 模 干 扰 起 作 用 。 根 据 实 验 结 果 来 判 断 和 选 择 对 超 标 信 号 有 抑 制 作 用 的 滤 波 器 或 器 件 。