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共模电感设计资料
- 2018-12-07-

1.    共模电感简介

共模电感,也叫扼流圈,常用在开关电源中过滤共模的电磁干扰信号。共模电感是一个以铁氧体等为磁芯的共模干扰抑制器件,它由两个尺寸相同,匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上,线圈的绕制方向相反,形成一个四端器件。当两线圈中流过差模电流时,产生两个相互抵消的磁场H1、H2,此时工作电流主要受线圈欧姆电阻以及可以忽略不计的工作频率下小漏感的阻尼,所以差模信号可以无衰减地通过,如图1-1所示;而当流过共模电流时,磁环中的磁通相互叠加,从而具有相当大的电感量,线圈即呈现出高阻抗,产生很强的阻尼效果,达到对共模电流的抑制作用。因此共模电感在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号,而对线路正常传输的差模信号无影响。

2.    共模电感用于EMI滤波器

对理想的电感模型而言,当线圈绕完后,所有磁通都集中在线圈的中心内。但通常情况下环形线圈不会绕满一周,或绕制不紧密,这样会引起磁通的泄漏。共模电感有两个绕组,其间有相当大的间隙,这样就会产生磁通泄漏,并形成差模电感,因而共模电感对差模噪声也有抑制作用。实际应用中,共模电感常和X电容、Y电容组成EMI滤波器,滤除差模噪声和共模噪声。

2.1  噪声测量方法

其内部结构如图2-1中虚线框内所示,高频时,电感相当于断路,电容短路,低频时相反。

LISN的作用为隔离待测试的设备和输入电源,滤除由输入电源线引入的噪声及干扰,并且在50Ω电阻上提取噪声的相应信号值送到接收机进行分析。

共模负载阻抗为25Ω,差模负载阻抗为100Ω

VL扫描和VN扫描分别都要求满足限值要求。

2.2.1    共模等效电路

图2-3为滤波器的共模等效电路图,由于CX对于共模噪声不起作用,故将其略去,并且以接地点G为对称点将电路对折。其等效共模电感量为LC,两个CY的等效电容值因并联变成原先的两倍,LISN提供的两个50Ω的电阻负载也并联成为25Ω的等效负载。这个25Ω的等效负载阻抗可以看作滤波器的负载阻抗,其值相对较小,而通常情况下共模噪声源阻抗ZCM一般较大,在满足和的条件下,阻抗失配极大化,从而滤波器对于共模噪声的插入损耗也尽可能大。

2.2.2    差模等效电路

与上面共模等效电路分析的方法相类似,等效差模电感量为2LD,LISN 提供的两个50Ω的电阻负载也串连成为100Ω的负载阻抗。两个CY的等效电容值因串联变为原来的一半,但由于差模噪声源阻抗ZCM一般较小,通常满足 ,因此可将Y 电容忽略。由此得到简化的差模等效电路图,如图2-4所示。

  在满足和的条件下,阻抗失配极大化,滤波器对于差模噪声的插入损耗也尽可能大。与共模等效电路一样,这也是LC二阶低通滤波电路,其转折频率为:

2.3  滤波器元器件参数计算

基于以上的分析,可以计算相应的滤波器元器件参数。首先根据测得的原始共模与差模噪声,决定需要衰减的噪声频率段与衰减量,求得共差模滤波器的转折频率,然后计算滤波器各个元件的参数。

在计算元件参数时,应该注意,由于滤波器电感电容值越大,其转折频率越低,对噪声的抑制效果越好,但同时成本和体积也相应增加。而且由材料特性可知,当电感电容值越大时,可持续抑制噪声的频率范围也相对变窄,因此其值不可以取得无限大。考虑到电容对于体积的影响较电感小,而且市场上出售的电容器都有固定的电容值,与电感值相比缺乏弹性,故在决定电感电容值时,应优先考虑电容。

2.4  共模电感的差模电感

将共模电感的一个线圈短路,测量另外一个线圈的电感,或者短接一对同名端,测另一对同名端的电感,即为两个线圈的差模电感之和。那么各个线圈的差模电感分别是多少呢?

共模电感的磁通并不是完全封闭在磁芯内,有部分泄露在空气中。设磁芯中的磁场强度为H,空气中的磁场强度为H’;磁芯的磁导率为,空气的磁导率为,应有;磁芯的横截面节为S、磁路长度为l,假设空气中磁通均匀分布在面积为S’、磁路长度为l’的空间中,不妨假设S=S’,l=l’。

共模电感的两个线圈的共模电感和差模电感感值之差正比于其总电感量之差。由于共模差模噪声产生原因以及传播路径不同,为使共差模噪声互不影响,要求使电路中L现和N线到地回路的阻抗对称,即要求共模电感的两个线圈的共模电感和差模电感相等,因此行业内要求共模电感的两个线圈感值之差尽量小,一般在±5%以内。

因为,在两线圈电感之差不大的情况下,可认为LD1=LD2,因而共模电感单个线圈的差模电感即为测得的漏感的一半。

尽管少量的差模电感非常有用,但差模电流流过差模电感会使芯体内的磁通发生零点偏离,如果偏离太大,芯体便会发生磁饱和现象,使共模电感基本与无磁芯的电感一样。结果,共模辐射的强度就如同电路中没有扼流圈一样。

3.    共模电感的寄生参数

共模电感广泛应用于EMI滤波器中,对抑制传导干扰具有重要作用。然而,由于共模电感的寄生参数效应,使得滤波器的高频滤波性能变差,如滤波器的插入损耗减小,可用频带变窄,无法在传导干扰考虑的0.15~30MHz范围内正常工作。共模电感的寄生参数主要有导线和磁芯损耗(磁损),以及绕组的寄生电容。其中磁损由涡流损耗、磁滞损耗以及剩余损耗组成,影响磁损的因素很多,有频率、磁感应强度、温度、波形等,因而磁芯损耗是非线性的;共模电感的寄生电容即为绕组匝与匝、匝与地、匝与磁芯、绕组与绕组间的电容。通过适当简化铁氧体磁芯损耗,将非线性的磁芯损耗用一个与频率相关的电阻元件等效;通过阻抗测量来提取共模电感的寄生电容和共模电感的漏感,可建立了考虑寄生参数的共模电感集中参数模型。

RW表示绕组等效电阻,RC为磁心等效电阻;C1为绕组匝间的寄生电容;C2 为两个绕组间的寄生电容

寄生参数C可以通过阻抗测量的方法获取。图3-2为测量C1的原理图。

共模电感P1与P2端短接,P3与P4端短接,如图3-2a所示,测量P1(P2),P3(P4)端的谐振频率fr,由于,则,其中电感值L=LC+LD,因而。因为L 与磁芯磁导率成正比,如果随频率改变,L也随之变化为非线性电感,因此确定fr下的电感值比较困难。

在P1、P2端并联一个电感,测量P1、P2端的谐振频率,可提取C2参数,其原理图如图3-3a所示。由于LD、C1、C2、RC、RW数值很小,因此可忽略C1、LD、RC、RW影响,近似为两个C2并联,等效电路如图3-3b所示。

C0为并联电感寄生电容,R0为寄生电阻

图3-3  测量C2原理图

应选用寄生电阻R0尽可能小的并联电感,这样在测量频率内可以忽略R0的影响。测量P1,P2端的谐振频率f0,则得:

(3-6)

3.2  电感LLK、LC

假设共模电感和差模电感是独立的,则用分立的差模电感来模拟LLK。将共模电感P3、P4端短路,测量P1、P2端,即可测得共模电感的漏感。铁氧体磁芯的磁导率随频率变化,因而电感也随之变化为非线性电感。因LLK较小,忽略其随频率变化,共模电感LC的数值一般非常大,需考虑LC随频率变化。

3.3  等效电阻RC、RW

磁性元件的损耗由两部分组成:铜损和磁损。铜损为电流流过线圈所产生的损耗,用电阻RW等效。在高频时由于趋肤效应和临近效应,较低频下损耗有所增加,因等效电阻RW在高频时远小于磁心等效电阻RC,故可忽略绕组等效电阻的影响。磁损指磁性材料的损耗,影响磁损的因素很多,有频率、磁感应强度、温度、波形等。基于等效电路的原理,将磁芯损耗等效为电阻损耗,表示为RC。这样,非线性的磁芯损耗就能用一个线性元件来表示。仅考虑电阻与频率的关系,设其与单变量f 的模型为:

(3-7)

多项式的次数选择二次,太低不足以描述其内部规律,太高易引起数值振荡。待定系数C0,C1,C2的获取分为两个步骤:短接P1、P2和P3、P4,测量不同频率下P1、P4端的阻抗Rs和电抗Xs;

由于LLK<<LC,忽略LLK,则有:

(3-8)

(3-9)

式中:。

再用回归分析计算出待定系数C0,C1,C2。

4.    磁芯材料与共模电感磁芯选型

常见的磁芯材料有铁氧体磁芯、磁粉芯和高磁通磁粉芯,其中常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯和铁硅铝粉芯。

4.1  铁氧体磁芯

铁氧体磁芯是由致密匀质的陶瓷结构非金属磁性材料制成。它由氧化铁(Fe2O3)和一种或几种其他金属(例如锰、锌、镍、镁)的氧化物或碳酸盐化合物组成。铁氧体原料通过压制,后经1300℃高温烧结,最后通过机器加工制成满足应用需求的成品磁芯。

铁氧体磁芯分为锰锌类和镍锌类。镍锌类的特点是:初始磁导率低(小于1000),但是可以工作在比较高的频率(大于100MHz)下,保持磁导率不变。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。而锰锌系则恰恰相反,其具有很高的初始磁导率,但在频率很低(20KHz)时,磁导率会衰减。锰锌系磁芯在低频时,能提供非常高的阻抗特性,非常适用于减小10KHz到50MHz的电磁干扰。

4.2  磁粉芯与高磁通磁粉芯

磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。磁粉芯具有均匀分布式气隙,因而拥有高电阻、低磁滞、低涡流损耗和软饱和等许多优秀的磁特性,以及在直流和交流条件下极佳的电感稳定性。由于铁磁性颗粒很小(高频下使用的为0.5~5um),又被非磁性电绝缘膜物质隔开;因此,一方面可以隔绝涡流,适用于较高频率;另一方面由于颗粒之间的间隙效应,导致材料具有低磁导率及恒导磁特性;又由于颗粒尺寸小,基本上不发生驱肤现象,磁导率随频率的变化也就较为稳定,主要用于高频电感。磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等。

铁粉芯是一种常用的软磁类磁粉芯,由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成,在粉芯中价格最低。饱和磁感应强度值在1.4T左右,磁导率范围从22~100,初始磁导率随频率的变化稳定性好,直流电流叠加性能好,但高频下损耗高。

铁粉芯被广泛用于RF应用上。由于铁粉芯中固有的分布式气隙特性,因此铁粉芯常用于储能式电感中。此外,用铁粉芯来替代坡莫合金磁芯、高磁通量磁芯或铁硅铝磁芯是一种高性价比设计。

相对铁粉芯而言,铁硅铝磁芯的磁芯损耗低的多;铁硅铝磁芯的磁致伸缩接近于零,非常适用于消除滤波电感中的音频噪音;铁硅铝磁芯在制造时没有使用有机粘结剂,因此没有任何热老化的问题;最后,铁硅铝磁芯能在200℃下连续操作,而铁粉芯只能工作于130℃以下。

而坡莫合金磁芯的磁芯损耗比铁硅铝磁芯的更低,当然价格也更高。对于要求损耗极低的电感器,应使用坡莫合金磁芯。需要在低成本下具备合理的低磁损和高饱和度,则应该使用铁硅铝磁粉芯,因为成本符合经济效益。对于直流偏置为主导,且要求尺寸小的设计,应当使用具有最高的磁通量的高磁通磁芯。

上述几种磁芯材料性能对比详见右边文档

4.3  共模电感磁芯选型

选用共模电感的磁芯时,形状尺寸、适用频段、价格、温升等因素都需要予以考虑。

上述磁芯材料中,铁氧体磁芯的形状最多样;而磁粉芯和高磁通磁粉芯的形状仅限于环形等形状。共模电感常用的磁芯为U型、E型和环形。

相对而言,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为共模电感所用,且在成型时,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;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,故有效磁导率比单一封闭形磁芯要低。

但环形磁芯绕线成本较高,因其他形状磁芯有一配套线架在使用,绕线可以机器作业,而环形磁芯只可以手工作业或机器(速度较低)作业;且磁环孔径小,机器难以穿线,需要人工去绕,费时费力,加工成本高,效率低;安装不便,若是加底座,则成本会上升。

综合性能比起来,磁环性能较好,价格也较高。因为成本的因素,磁环大多用在大功率的电源上。当然因为体积小,对体积有要求的小功率电源,可以采用磁环磁芯。

对于主要作用是滤除低频噪声的共模电感,应当选用高磁导率的锰锌铁氧体磁芯;相反,应该选用适用于高频的镍锌铁氧体磁芯或磁粉芯磁芯。通常适用于高频的磁芯,因其具有分布式气隙,故磁导率相对较低,二者不可兼得。不过,与普通电感器不同的是,共模电感的作用是对噪声信号形成较大的插入损耗,以减小噪声干扰。锰锌铁氧体在高频时,虽然其有效磁导率很小,但磁芯损耗随频率增加而增大,对高频噪声有较大的阻碍作用,所以也能减弱高频干扰,只是效果相对较差。然而,较大的磁芯损耗会导致磁芯发热,而损耗较小的磁芯价格也较高。

5.    共模电感的设计流程

共模电感设计所需的基本参数为:输入电流,阻抗及频率。设计步骤如下:

1.线径选取: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/cm2,为保证温升应力不超标,最大的电流密度为800A/cm2;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。

2.电感量计算:共模电感的阻抗在所给的频率条件一般规定为最小值,由L=Xs/2πf,可得出共模电感线圈感值大小。

3.磁芯型号选型:如果有规定共模电感空间,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;

4.磁芯材质选型:根据共模电感适用频段,可初步选定磁芯材质;由磁芯的型号和线径可算出可绕线匝数,再结合电感量,可得出磁芯的最小电感系数;最后,结合价格因素综合考虑,即可选定磁芯材质。