共模電感設(shè)計

1、1 .前言近年來，由于政府機構(gòu)或其他團宥MC（電磁兼容）日益重視，工程師們在設(shè)計產(chǎn)品時亦是非常注意產(chǎn)品的輻射問題。特別值得一提的是：直流變換器很高的開關(guān)頻率及尖峰脈沖斜波就是一典型的 EMI （電磁干擾）。共模電感就是一個重要的 抗電磁干擾 零件，它可以在一寬頻條件下提供非常高的阻抗。大多數(shù)EMI濾波器主要部件就是一共模電感。在此文中，主要介紹共模電感的設(shè)計及磁芯選材問題。2 .基本的共模開關(guān)電源有兩種噪聲： 一為共模，另一為差模。與輸入信號的路徑相同的噪聲稱之為差模噪聲，而每相相同的從接地到輸出的尖峰信號稱之為共模噪聲。（詳見圖1A和1B）圖1E ：共模哽麥www. ei23, com一典型

2、抗電磁干擾濾波器包含共模電感，差模電感及X,Y電容。Y電容和共模電感使共模噪聲衰減。在高頻噪聲時，電感呈現(xiàn)高阻抗特性， 并且反射和吸收噪聲。 然而電容呈低阻抗（至接地）且改變主線的噪聲方向。（見圖2）高阻抗共模電感兩繞組圈數(shù)是相同的，產(chǎn)生兩大小相等方向相反的磁通量。此兩磁通相互抵消。因此使磁芯處于無偏磁狀態(tài)。差模電感只有一個繞組，需要磁芯提供一完全無飽和線性電流。此與共模電感有較大的不同。 為防止磁飽和，差模電感必須使用一低的有效磁導(dǎo)率的磁芯（有氣隙的鐵氧體或鐵粉磁芯）。然而，共模電感可以使用一較高的磁導(dǎo)率磁芯且在磁芯相對小的條件下可得到一比較高的電感。3 .磁芯選材首先，噪聲是由開關(guān)電源的單

3、位基頻所產(chǎn)生的，再加上高頻諧波。也就是表示噪聲在10KHz到50MHz范圍內(nèi)都會存在。為此，電感必須有更寬的頻率范圍內(nèi)存在高阻抗特性。共模電感的總阻抗由兩部分組成：串聯(lián)感抗（ Xs）和串聯(lián)電阻（Rs）。在低頻時，阻抗呈感抗特性。但隨著頻率的增加，有效磁導(dǎo)率下降，感抗亦在下降。（見圖3）由串聯(lián)感抗（Xs）和串聯(lián)電阻（Rs）的相互作用，在整個頻寬內(nèi)產(chǎn)生一可接受的阻抗（ Zs）。對于大多數(shù)產(chǎn)品來講，共模電感的磁芯都選用鐵氧體（饃鋅系和鎰鋅系）。饃鋅系磁芯的特點是具有較低的初磁導(dǎo)率，但在非常高的頻率（大于100MHz）時，仍能保持初磁導(dǎo)率。而鎰鋅系則恰恰相反，其具有很高的初磁導(dǎo)率，但在頻率很低（20K

4、Hz）時，磁導(dǎo)率可能會衰減。由于饃鋅系磁芯有很低的初磁導(dǎo)率，所以在低頻時，不可產(chǎn)生高阻抗特性。然而鎰鋅系磁芯在低頻時，能提供非常高的阻抗特性， 且非常適用于10KHz到50MHz的抗電磁干擾。基于此， 本文只集中討論鎰鋅系磁芯。鎰鋅系磁芯有很多種形狀：環(huán)形， E形，罐形，RM形及EP形等等。但對于大多數(shù)共模電感都是使用環(huán)形磁芯。主要是有以下兩種好處：第一：環(huán)形磁芯比較便宜。 因為環(huán)形只有一個就可制作，而其他形狀的磁芯必須有一對才能構(gòu)成共模電感所需， 且在成型時，因考慮兩磁芯的配對問題，還須增加研磨工序（如鏡面磁芯）才能得到較高的磁導(dǎo)率。對于環(huán)形磁芯卻不需如此。第二：與其它形狀磁芯相比環(huán)形磁芯有

5、較高的有效磁導(dǎo)率。因為兩配對磁芯在裝配時， 無論怎樣作業(yè)都不可消除氣隙的現(xiàn)象，故有效磁導(dǎo)率比只有單一封閉形磁芯要低。環(huán)形磁芯有一缺點： 繞線成本較高。因其他形狀磁芯有一配套線架在使用，繞線都可以機器作業(yè)，而環(huán)形磁芯只可以手工作業(yè)或機器（速度較低）作業(yè)。但通常情況下，共模電感圈數(shù)較少（小于30圈），故繞線成本比較少?；谏鲜鲈?，下面的共模電感都是對使用環(huán)形磁芯的敘述。4 .設(shè)計考慮共模電感設(shè)計所需的基本參數(shù)為：輸入電流，阻抗及頻率。輸入電流決定了繞組所需的線徑。在計算線徑時，電流密度通常取值為400A/cm3。但此取值須隨電感溫升的變化。通常情況下，繞組使用單根導(dǎo)線作業(yè)，這樣可削減高頻噪聲及趨

6、膚效應(yīng)損失。共模電感的阻抗在所給的頻率條件一般規(guī)定為最小值。串聯(lián)的線性阻抗可提供一般要求的噪聲衰減。但很不幸，線性阻抗有相當(dāng)少的人知道，因此設(shè)計人員經(jīng)常以 50W線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)儀來測試共模電感， 并漸漸成為一種標(biāo)準(zhǔn)測試共模電感性能的方法。但所得的結(jié)果與實際通常有相當(dāng)大的差別。實際上，共模電感在正常時角頻首先會產(chǎn)生每八音度增加-6dB衰減（角頻是共模電感產(chǎn)生-3dB）的頻率此角頻通常很低，以便感抗能夠提供阻抗。故電感可以用下式來表達(dá)：Ls=Xx/2 兀 f （1）電感大家都知道，但值得一提的是，設(shè)計時須注意磁芯，磁芯材質(zhì)及所需的圈數(shù)。首先，設(shè)計第一步是磁芯型號的選取，如果有規(guī)定電感空間，我們就

7、按此空間來選取合適的磁芯型號, 如沒有規(guī)定，通常磁芯型號的隨意選?。坏诙绞怯嬎愦判舅芾@最大圈數(shù)。共模電感有兩繞組， 一般為單層，且每繞組分布在磁芯的每一邊，兩繞組中間須隔開一定的距離。雙層及堆積繞組亦有偶爾使用，但此種作法會提高繞組的分布電容及降低電感的高頻性能。由于銅線的線徑已由線性電流的大小所決定，內(nèi)圓周長可以由磁芯的內(nèi)圓半徑減去銅線半徑計算得來。故最大圈數(shù)的就可以銅線加絕緣的線徑及每個繞組所占據(jù)的圓周來計算。5 .設(shè)計案例要求：在工彳頻率為 10KHz,輸入線性電流為 3A（RMSM,阻抗為100歐的共模電感。1）選取線徑銅線截面積=3A/400A/cm2=0.0075cm2銅線線徑=2=0.98mm取銅線線為1.0mm2）計算最小電感值Lnin=Xs/2 1小而加恤防 x 10000=1 59ro3）假如無指定空間，任取一磁芯內(nèi)徑（ID）=13.72+/-0.38=13.34mm MIN4）計算內(nèi)圓周長和最大可繞圈數(shù)內(nèi)圓周長=3.14X（13.34 -1.08）=38.5mm最大圈數(shù)=（160/360） X38.5/1.08=15.8TS 或 16TS5）計算磁芯的 AL值，并選取材質(zhì)磁芯的 AL最/、值=1.59/162=6211nH/TS2MIN因此種磁芯 AL值變化范圍一般為+/-30%故磁芯的AL值取9000nH/TS2,以上述條件，即可 選取一合