反激电路中磁性元器件1_共模电感

2022-5-3 18:33:00
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1、背景
$?$ 1）共模噪声
$★$a）定义:交流电源电气设备输入端一般存在线路对地噪声（L、N线)，对地相位保持相同，干扰信号以地为公共回路，在两天线上流过$\frac{1}{2}$。
$\surd$实际上，由于线路阻抗不平衡，共模新号转换为差模信号。
$\surd$EMC中共模新号主要干扰(接地、屏蔽、滤波，其中整机屏蔽单元的接地点和屏蔽点必须等电位)
$★$b）来源：信号线上电网引入、地电位差、空间电磁辐射感应的共态电压。
$★$c）避免方案
$°$接地类型：电路板工作地点与参考地点相连，接地位于信号线入口；共模电流连接器集中在电路板同侧，避免共模电流流过整个电路板等工作地点；布线远离高压线，高压与信号线分离
$°$浮地型：扼流圈，避免共模新号转化为差模信号；PCB布局中的每个电路对其参考位置保持零电位I/O、RST关键信号设计滤波电路
$?$ 2)应考虑设计
$\surd$ 正常工作时，磁心不应饱和
$\surd$ 对高频信号阻抗足够大
$\surd$ 温度系数与分布电容较小
$\surd$ 直流电阻尽量小
$\surd$ 感应电感量尽可能大（$\sim 30mH$功率电路段）
$\circ$过大的电感量将减弱对高频杂讯抑制效果（$5\sim 10MHz$）
2、结构示意
参阅
3、实质：通过与电容搭配形成LC型低通滤波器以滤除高频干扰
4、设计步骤
$\surd$ EMI允许级别$\to$电感量确定$\to$ 磁心材料及规格确定$\to$ 实物测试
$†FCC-CLASS-B$
$\circ$传导干扰：150KHz $\sim$ 30MHz
$\circ$辐射干扰：30MHz$\sim$ 1GHz
$†$电感量确定
设定截止频率为50KHz（一般不小于$10KHz$），则$L=\frac{1}{(2\pi f_0{)}^{2}C}\Vert （线路阻抗确定最小电感：L=\frac{X_s}{2\pi f_0}，一般线路串联阻抗X_s=50\Omega ，10KHz\to X_s=100\Omega ）$（以$C=3300pF为例\to L=3.07mH$）
$†$磁心选取（高磁导率）
$\circ$低$B-H$比例材料、磁芯损耗低且$B_s$较高
$\circ Ni-Zn$铁氧体材料（$\mu <1000$）且可在$>100MHz$频率下磁导率保持不变。由于磁导率较低，从而低频时阻抗较小，适用于抑制$10\sim 20MHz$的干扰
$\ast L型材料B-H曲线，\mu =700$

$\circ Mn-Zn$铁氧体材料（$\mu >15000$）而$f>20KHz$时磁导率下降（magnetics提供的$$J(5000\mu )、W(10000\mu )、M(15000\mu )$型磁芯），由于磁导率较高，适用于抑制$10KHz\sim 50MHz$宽频干扰
$\ast M型材料B-H曲线，\mu =15000$

$†$磁心规格
$\circ$环形优、劣势
$\bullet$由于不需要额外工艺将部件之间进行研磨组合，从而成本较低
$\bullet$完整环形中并不存在拼接气隙，从而有效磁导率较高
$\cdot$由于环形绕线须专用绕线机或人工绕制，从而单件成本较高
$†$绕组：
$\circ$典型电流密度取值：$j=4A/m{m}^2$
$\circ$单股导线：成本低、高频集肤效应的铜损有利于减弱干扰
$\circ$绕组间设置隔离，则各绕组一般占据$150°\sim 170°$内周圆
$\circ$匝数：$N=1000\sqrt{\frac{L(mH)}{A_L}}$
$\cdot$如：$J$型材料$\mu =5000，A_L=3020$

$\circ$线径：$r=\sqrt{\frac{I_{in}}{j\pi }}$
$▶$磁心饱和：一般不会饱和，但部分差模磁通经绕组离开磁芯，且该漏磁通与导线中电流、绕组漏感成比例，从而导致在导线电流过大时磁心饱和或使工作点从B-H回路的原点偏移至磁导率增量较小的点
$▹$共模线圈传给后面负载的电流偏大，已经超过或达到共模电感的额定电流
$▹$共模干扰信号的单周期宽度比较大，使得电感电流出现饱和，此时可将感量设计稍大（不可过大，否则降低负载电流）

$\circ$设计
$\bullet$选取$J$型磁芯：$46113TC\Vert 43825TC，A_L=6845\Vert A_L=16730$，尺寸：$61\ast 35.6\ast 127\Vert 38.1\ast 19\ast 25.4$，磁路长度：$l_e=144.6\Vert l_e=82.8$，磁通面积：$157.4\Vert 233$，磁通体积：$22774\Vert 19304$，绕线面积：$9.93c{m}^2\Vert 2.85c{m}^2$
$\bullet L=3.07mH,N$