共模电感设计pdf.doc

电感 共模电感设计 1.前言 近年来，由于政府机构或其他团体对 EMC（电磁兼容）日益重视，工程师们在设计产 品时亦是非常注意产品的辐射问题。特别值得一提的是：直流变换器很高的开关频率及尖峰 脉冲斜波就是一典型的 EMI（电磁干扰）。 共模电感就是一个重要的抗电磁干扰零件，它可以在一宽频条件下提供非常高的阻 抗。大多数 EMI 滤波器主要部件就是一共模电感。在此文中，主要介绍共模电感的设计及 磁芯选材问题。 2.基本的共模 开关电源有两种噪声：一为共模，另一为差模。与输入信号的路径相同的噪声称之为 差模噪声，而每相相同的从接地到输出的尖峰信号称之为共模噪声。（详见图 1A 和 1B) 一典型抗电磁干扰滤波器包含共模电感，差模电感及 X,Y 电容。Y 电容和共模电感使 共模噪声衰减。在高频噪声时，电感呈现高阻抗特性，并且反射和吸收噪声。然而电容呈低 阻抗（至接地）且改变主线的噪声方向。（见图 2） 共模电感两绕组圈数是相同的，产生两大小相等方向相反的磁通量。此两磁通相互抵 消。因此使磁芯处于无偏磁状态。差模电感只有一个绕组，需要磁芯提供一完全无饱和线性 电流。此与共模电感有较大的不同。为防止磁饱和，差模电感必须使用一低的有效磁导率的 磁芯（有气隙的铁氧体或铁粉磁芯）。然而，共模电感可以使用一较高的磁导率磁芯且在磁 芯相对小的条件下可得到一比较高的电感。 -1- 电感 3.磁芯选材 首先，噪声是由开关电源的单位基频所产生的，再加上高频谐波。也就是表示噪声在 1 0KHz 到 50MHz 范围内都会存在。为此，电感必须有更宽的频率范围内存在高阻抗特性。 共模电感的总阻抗由两部分组成：串联感抗（Xs)和串联电阻（Rs)。在低频时，阻抗呈感 抗特性。但随着频率的增加，有效磁导率下降，感抗亦在下降。（见图 3）由串联感抗（X s)和串联电阻（Rs)的相互作用，在整个频宽内产生一可接受的阻抗（Zs)。 对于大多数产品来讲，共模电感的磁芯都选用铁氧体（镍锌系和锰锌系）。镍锌系磁 芯的特点是具有较低的初磁导率，但在非常高的频率（大于 100MHz)时，仍能保持初磁导 率。而锰锌系则恰恰相反，其具有很高的初磁导率，但在频率很低（20KHz)时，磁导率可 能会衰减。由于镍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。然而 锰锌系磁芯在低频时，能提供非常高的阻抗特性，且非常适用于 10KHz 到 50MHz 的抗电 磁干扰。基于此，本文只集中讨论锰锌系磁芯。 锰锌系磁芯有很多种形状：环形，E 形，罐形，RM 形及 EP 形等等。但对于大多数共 模电感都是使用环形磁芯。主要是有以下两种好处： 第一：环形磁芯比较便宜。因为环形只有一个就可制作，而其他形状的磁芯必须有一 对才能构成共模电感所需，且在成型时，因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。 第二：与其它形状磁芯相比环形磁芯有较高的有效磁导率。因为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，故有效磁导率比只有单一封闭形磁芯要低。 环形磁芯有一缺点：绕线成本较高。因其他形状磁芯有一配套线架在使用，绕线都可 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。但通常情况下，共模电 感圈数较少（小于 30 圈），故绕线成本比较少。 基于上述原因，下面的共模电感都是对使用环形磁芯的叙述。 4.设计考虑 -2- 电感 共模电感设计所需的基本参数为：输入电流，阻抗及频率。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/cm3。但此取值须随电感温升的变化。 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。 共模电感的阻抗在所给的频率条件一般规定为最小值。串联的线性阻抗可提供一般要 求的噪声衰减。但很不幸，线性阻抗有相当少的人知道，因此设计人员经常以 50W 线性阻 抗稳定网络仪来测试共模电感，并渐渐成为一种标准测试共模电感性能的方法。但所得的结 果与实际通常有相当大的差别。实际上，共模电感在正常时角频首先会产生每八音度增加- 6dB 衰减（角频是共模电感产生-3dB)的频率此角频通常很低，以便感抗能够提供阻抗。故 电感可以用下式来表达： Ls=Xx/2πf (1) 电感大家都知道，但值得一提的是，设计时须注意磁芯，磁芯材质及所需的圈数。首 先，设计第一步是磁芯型号的选取，如果有规定电感空间，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； 第二步是计算磁芯所能绕最大圈数。共模电感有两绕组，一般为单层，且每绕组分布 在磁芯的每一边，两绕组中间须隔开一定的距离。双层及堆积绕组亦有偶尔使用，但此种作 法会提高绕组的分布电容及降低电感的高频性能。由于铜