共模電感和差模電感

1、共模電感和差模電感電源濾波器的設計通?？蓮墓材：筒钅煞矫鎭砜紤]。共模濾波器最重要的部分就是共模扼流圈，與差模扼流圈相比，共模扼流圈的一個顯著優(yōu)點在于它的電感值極高，而且體積又小，設計共模扼流圈時要考慮的一個重要問題是它的漏感，也就是差模電感。通常，計算漏感的辦法是假定它為共模電感的1%，實際上漏感為共模電感的 0.5%  4%之間。在設計最優(yōu)性能的扼流圈時，這個誤差的影響可能是不容忽視的。漏感的重要性漏感是如何形成的呢？緊密繞制，且繞滿一周的環(huán)形線圈，即使沒有磁芯，其所有磁通都集中在線圈“芯”內(nèi)。但是，如果環(huán)形線圈沒有繞滿一周，或者繞制不緊密，那么磁通就會從芯中

2、泄漏出來。這種效應與線匝間的相對距離和螺旋管芯體的磁導率成正比。共模扼流圈有兩個繞組，這兩個繞組被設計成使它們所流過的電流沿線圈芯傳導時方向相反，從而使磁場為0。如果為了安全起見，芯體上的線圈不是雙線繞制，這樣兩個繞組之間就有相當大的間隙，自然就引起磁通“泄漏”，這即是說，磁場在所關心的各個點上并非真正為0。共模扼流圈的漏感是差模電感。事實上，與差模有關的磁通必須在某點上離開芯體，換句話說，磁通在芯體外部形成閉合回路，而不僅僅只局限在環(huán)形芯體內(nèi)。如果芯體具有差模電感，那么，差模電流就會使芯體內(nèi)的磁通發(fā)生偏離零點，如果偏離太大，芯體便會發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，使共模電感基本與無磁芯的電感一樣。結果，共模

3、輻射的強度就如同電路中沒有扼流圈一樣。差模電流在共模環(huán)形線圈中引起的磁通偏離可由下式得出：     式中，是芯體中的磁通變化量，Ldm是測得的差模電感，是差模峰值電流，n為共模線圈的匝數(shù)。    由于可以通過控制B總，使之小于B飽和，從而防止芯體發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，有以下法則：式中，是差模峰值電流，Bmax是磁通量的最大偏離，n是線圈的匝數(shù)，A是環(huán)形線圈的橫截面積。Ldm是線圈的差模電感。共模扼流圈的差模電感可以按如下方法測得：將其一引腿兩端短接，然后測量另外兩腿間的電感，其示值即為共模扼流圈的差模電感。共模

4、扼流圈綜述濾波器設計時，假定共模與差模這兩部分是彼此獨立的。然而，這兩部分并非真正獨立，因為共模扼流圈可以提供相當大的差模電感。這部分差模電感可由分立的差模電感來模擬。為了利用差模電感，在濾波器的設計過程中，共模與差模不應同時進行，而應該按照一定的順序來做。首先，應該測量共模噪聲并將其濾除掉。采用差模抑制網(wǎng)絡（Differential Mode Rejection NETWORK），可以將差模成分消除，因此就可以直接測量共模噪聲了。如果設計的共模濾波器要同時使差模噪聲不超過允許范圍，那么就應測量共模與差模的混合噪聲。因為已知共模成分在噪聲容限以下，因此超標的僅是差

5、模成分，可用共模濾波器的差模漏感來衰減。對于低功率電源系統(tǒng)，共模扼流圈的差模電感足以解決差模輻射問題，因為差模輻射的源阻抗較小，因此只有極少量的電感是有效的。盡管少量的差模電感非常有用，但太大的差模電感可以使扼流圈發(fā)生磁飽和?？筛鶕?jù)公式（2）作簡單計算來避免磁飽和現(xiàn)象的發(fā)生。用LISN原理測量共模扼流圈飽和特性的方法測量共模線圈磁芯（整體或部分）的飽和特性通常是很困難的。通過簡單的試驗可以看出共模濾波器的衰減在多大程度上受由60Hz編置電流引起的電感減小量的影響。進行此項測試需要一臺示波器和一個差模抑制網(wǎng)絡（DMRN）。首先，用示波器來監(jiān)測線電壓。按如下方法從示波器的A通道輸入信號，將示波器的

6、時間基準置為2ms/div，然后將觸發(fā)信號加在A通道上，在交流電壓達到峰值時會有線電流產(chǎn)生，此時濾波器效能的降級是意料中的事情。差模抑制網(wǎng)絡（DMRN）的輸入端連接到LISN，輸出端用50的阻抗進行匹配且與示波器的B通道相連。當共模扼流圈工作在線性區(qū)時，在輸入電流波動期間，B通道監(jiān)測到的發(fā)射增加值不超過610DB。圖1為此測試在示波器上顯示的結果，上面的曲線為共模發(fā)射；下面的曲線為線電壓。在線電壓峰值期間，橋式整流器正向導通且傳送充電電流。圖1 示波器上顯示的由于60Hz充電電流引起的共模扼流圈的降級如果共模扼流圈達到飽和，那么在輸入浪涌增加時，發(fā)射將會增加。如果共模扼流圈達到強飽和

7、，發(fā)射強度與不加濾波器時的情況是一樣的，也就是說很容易達到40dB以上。這些實驗數(shù)據(jù)可用其他方法來解釋。發(fā)射最小值（線電流為0的時候）是濾波器無偏置電流時表現(xiàn)出來的效果。峰值發(fā)射與最小發(fā)射的比率，即降級因子，用來衡量線電流偏移量對濾波器實際效果的影響。降級因子較大表明共模扼流圈磁芯完全沒有得到恰當?shù)氖褂茫^好的濾波器的“固有降級因子”差不多在24之間。它是由兩種現(xiàn)象產(chǎn)生的：第一，60Hz充電電流引起的電感減?。ㄈ缟纤觯坏诙?，橋式整流器的正向及反向導通。共模發(fā)射的等效電路由一個阻抗約為200PF的電壓源、二極管阻抗和LISN的共模阻抗組成，如圖2所示。當橋式整流器正向偏置時，在源阻抗、25和

8、LISN共模阻抗之間會產(chǎn)生分壓現(xiàn)象。當橋整流器反向偏置時，在源阻抗、整流橋反偏電容、LISN之間產(chǎn)生分壓現(xiàn)象。當二極管整流橋反向偏置電容較小時，對共模濾除有一定效果。當整流橋正向偏置時則對共模濾除沒有影響。圖2 共模輻射等效電路由于產(chǎn)生了分壓，固有降級因子的預期值為2左右。實際值的變化相當大，主要取決于源阻抗和二極管整流橋反向偏置電容的實際大小。在Flugan發(fā)明的一個電路中，正是應用這個原理來減小鎮(zhèn)流器的傳導發(fā)射的。用電流原理測量共模扼流圈飽和特性的方法如果測試人員相當謹慎，那么就可以采取類似MIL-STD-461中的測試裝置來檢測共模扼流圈的飽和特性。這個原理的應用如下：測試時采

9、用兩只電流探頭，低頻探頭監(jiān)測線電流，高頻探頭僅測量共模發(fā)射電流。線電流監(jiān)視器作為觸發(fā)源。不過，使用電流探頭的一個隱患是差模電流衰減是管芯內(nèi)繞組導線對稱性的函數(shù)。如果精心合理安排繞線布局的話，30DB左右的差模電流衰減是能夠得到的。即使達到這個衰減值，測得的差模分量也可能超過預期的共模分量值?？捎萌缦聝身椉夹g來解決這一問題：第一，將一只6kHz轉折頻率的高階高通濾波器與示波器串聯(lián)（注意應用50的終端阻抗進行匹配）。第二，在每只10F的電容與電源總線之間接入一根導線。為了測量共模輻射，電流探頭應夾在這些載有極小線電流的導線近旁。共模扼流圈內(nèi)存在的差模與共模磁通為了快速且淺顯地介紹共模扼流圈的作用，可考慮采用以下論述：“共模扼流圈管芯兩側的磁場相互抵消，因此不存在磁通使管芯飽和。”盡管這種論述對共模扼流圈作用的直覺敘述具體化了，但實質上并非如此。參考以下圍繞麥克斯韋方程所進行的討論：* 假設電流密度J產(chǎn)生磁場H，那么就可得出結論：附近的另一個電流不會抵消或阻止磁場或者是由此而產(chǎn)生的電場。* 同樣一個相鄰的電流可以導致磁場路徑的改變。* 在環(huán)形共模電感的特殊場合中，每條引