問題混成式共模電感的原理與功能

EMI抑制方案有許多組合，包括濾波器組合、變壓器繞線安排，甚至PCB布局。本文提供一種結(jié)合共模電感與差模電感的磁混成，稱之為混成式共模電感器。不僅保留共模電感的高阻抗特性，同時利用其很高漏電感當(dāng)成差模電感用。不僅可以縮小體積節(jié)省濾波器成本，更提供了工程師快速解決傳導(dǎo)型EMI 問題的方法。

混成式共模電感的原理與功能

在常規(guī)單級EMI 濾波器電路中，如圖一，有共模噪聲濾波器 (LCM、CY1與CY2) 與差模噪聲濾波器 (LDM、CX1與CX2) 分別形成”LC濾波器”衰減共模與差模噪聲。共模電感通常以高導(dǎo)磁錳鋅 (Mn-Zn) 鐵氧體 (Ferrite) 制成，電感值可達(dá)1~50mH。共模電感器，如圖二，由于繞線極性安排，雖然兩組線圈分別流過負(fù)載電流，但鐵芯內(nèi)部磁力線互相抵消，一般不存在鐵芯飽和的問題。常用的鐵芯有環(huán)型 (Toroidal)、UU型 (UU-9.8、UU-10.5等)、ET型與UT型，如圖三。為了獲得足夠的共模電感值，要盡量讓兩組線圈的耦合達(dá)到最好，所以多采用施工成本較高的環(huán)型或一體成型的ET與UT 鐵芯。

圖一、常規(guī)EMI濾波器結(jié)構(gòu)

圖二、共模電感器

圖三、共模濾波器(a)環(huán)型(b)ET型(c)UU型(d)UT型

從共模電感的工作原理與等效電路來看，如圖四所示，雙繞組的共模電感雖然有很好的耦合，但是還是存在漏電感，漏電感就是由漏磁通造成。這個漏電感在等效上串聯(lián)在電路上，功能上與差模電感無異。所以可以說，共模電感器的漏電感可以利用來做為差模濾波器。然而如圖三所示的共模電感器，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)系，其漏電感都很小，約莫在數(shù)mH到100mH。如果要得到更大的漏電感，只有增加匝數(shù)一途，如此一來，線徑變細(xì)，電流耐受降低。要改善只有增加鐵芯尺寸，當(dāng)然也增加了濾波器的體積與成本。許多要求極高共模電感的應(yīng)用，其實不在濾除共模噪聲，而是要得到較大的漏電感當(dāng)差模濾波器用，只是許多工程師不甚清楚罷了。

圖四、共模電感器的等效模型

為了增加共模電感的漏電感，特殊的鐵芯結(jié)構(gòu)與繞線方法稱為混成式共模電感器 (Integrated Common-mode Choke) 或者稱混成共模電感器 (Hybrid Common-mode Choke)，如圖五所示。這樣的結(jié)構(gòu)，不僅可以保留共模電感量以充分濾除共模噪聲，而且其漏電感形成的差模電感可以高達(dá)數(shù)百mH，配合適當(dāng)?shù)腦電容，可以有效的濾除中低頻段 (150kHz~3MHz) 的差模

信號。實驗證明混成式共模電感器不僅具有很好的濾波特性，低成本與小體積更是最大的優(yōu)點。

圖五、立式與臥式混成式共模電感器

主要的電氣參數(shù)

混成式共模電感器除保留了常規(guī)的共模電感器的規(guī)格外，還兼具差模電感的特性。一般除了用共模與差模電感量標(biāo)示外，還要以以下參數(shù)來規(guī)范。

(1)共模阻抗 (Common-mode Impedance, ZCM) : 相較于電源阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (Line Impedance Stabilization Network, LISN)的高頻等效電阻 (共模為25W)，濾波用的共模阻抗越大越好。除了鐵芯材質(zhì)外，繞線的方法(槽數(shù))更影響高頻阻抗的高低。圖六為共模阻抗的量測法，圖七為ASU-1200系列共模阻抗特性圖。由于繞線的層間雜散電容 (Stray Capacitance, CS) 存在，高頻時將變?yōu)殡娙菪?；CS越小越好。

圖六、共模阻抗量測

圖七、ASU-1200系列共模阻抗特性圖

(2)共模電感 (Common-mode Inductance, LCM) : 傳統(tǒng)上，習(xí)慣以外加測試電壓 (VOSC)與頻率來規(guī)范共模電感。依鐵芯材料特色，共模電感以VOSC = 1Vac @100kHz 量測較為穩(wěn)定。

(3)差模阻抗 (Differential-mode Impedance, ZDM) : 同樣的，量測等效差模阻抗的方法如圖八所示，用差模阻抗特性圖 (如圖九)來定義差模濾波的效能；相較于LISN 的等效電阻100W，差模阻抗也是越大越好。當(dāng)然高頻時一樣會變成電容性，但只要阻抗夠大，一樣有濾波的效果。

圖八、差模阻抗量測

圖九、ASU-1200系列差模阻抗特性圖

(4)差模電感 (Differential-mode Inductance, LDM) : 差模電感一樣可以VOSC = 1Vac @100kHz 來規(guī)范。在實用上，混成式差模電感量必須在100mH 以上，配合X電容，才能有效的濾除差模噪聲。

(5)差模飽和電流 (Isat) : 如前所述，因為等效差模電感必須流過負(fù)載電流，在負(fù)載電流的峰值下，差模電感不能飽和，否則其濾除噪聲的能力將降低。圖十為一般橋式整流濾波電路的輸入電流波形。必須確保在最大電流峰值下，差模電感量沒有因飽和而下降。傳統(tǒng)上，以電感值衰減20% (相對于沒有直流偏置) 為其差模飽和電流。

(a)

(b)

圖十、(a) 全橋濾波電路 (b) 輸入電流波形

(6)有效承受電流(Irms) : 等效上就是規(guī)范線徑粗細(xì)。雖然如圖十的輸入電流波形，但其有效值并不高，一般可以兩倍的輸出功率除以最低輸入電壓估計。例如全電壓范圍25W 的電源適配器，輸入電流的有效值約為 2*25W/90Vac = 0.55A。

表一為ASU-1200 系列的電氣參數(shù)表

應(yīng)用電路

混成式共模電感器，簡單說就是一個傳統(tǒng)共模電感與一個(或兩個)差模電感的混成。在應(yīng)用上，EMI工程師必須選定需要的共模電感、差模電感以及相關(guān)的差模飽和電流與承受電流。ASU-1200 系列混成式共模電感適合應(yīng)用在25W到50W的Flyback 電路或120W以下PFC 電路。圖十一為兩種應(yīng)用混成式共模電感器的Flyback 電路。

(a)

(b)

圖十一、兩種應(yīng)用混成式共模電感器的Flyback 電路 (a) 常規(guī)位置搭配X電容 (b) 置于橋整后與電解電容形成P型濾波器

圖十二為應(yīng)用在臨界導(dǎo)通模式 (Boundary Conduction Mode) 主動功因改善 (PFC) 電路的濾波器。

圖十二、應(yīng)用于PFC電路的混成共模電感器

圖十三到圖十五為應(yīng)用ASU-1203混成式共模電感器在一個24W (12V/2A) 的離線式Flyback 電源中EMI 的表現(xiàn)。明顯地可以看出這種共模電感不只有效的衰減共模噪聲，同時其差模電感也大量的衰減差模噪聲。整體而言，裝有ASU-1203 的EMI 表現(xiàn)，在中低頻段約有30dB的衰減。

圖十三、共模噪聲衰減 (藍(lán)色曲線為裝有ASU-1203 的共模噪聲量測圖)

圖十五、總噪聲衰減 (藍(lán)色曲線為裝有ASU-1203 的總噪聲量測圖)

圖十四、差模噪聲衰減 (藍(lán)色曲線為裝有ASU-1203 的差模噪聲量測圖)

審核編輯：湯梓紅