共模电感原理及选型

1共模电感原理

在介绍共模电感之前先介绍扼流圈。一种用于减弱电路内的高频率电流低阻抗线圈。为了改善其电感扼流圈，通常有软磁材料的核心。共模节流圈有多个相同的线圈，电流在这些线圈中反向流动，因此磁场在节流圈的核心中被抵消。由于共模扼流圈常抑制干扰辐射为了在不同的线圈中反向干扰电流，改善系统EMC。共模扼流圈的电感非常高。共模电感的电路图如图1所示。

共模信号和差模信号只是相对量，共模信号又称共模噪声或对地噪声，是指两条线对地的噪声，对于开关电源的输入滤波器而言，对地球的电信号是零线和火线。虽然零线和火线没有直接连接到地球，但零线线路和火线可以通过电路板上的寄生电感寄生电容器或杂散电容器与地球连接。差模信号是指两条线之间的直接信号差也可以称为电视差。

假设有两个信号V1、V2

共模信号是（V1 V2）/2

差模信号为：对V1 （V1-V2）/2；对于V2 -（V1-V2）/2

共模信号特征：范围相等、相位相同的信号。

差模信号特征：范围相等、相位相反的信号。

如图2所示，是差模信号和共模信号的示意图。

图2差模信号和共模信号示意图

2 差模噪声和共模噪声的主要来源

对于开关电源，如果整流桥后储能滤波大电容为理想电容，即等效串联电阻为零(忽略所有电容寄生参数)，输入电源电容器可能完全旁路或解耦差模噪声源，可是大容量电容器的等效串联电阻不是零。因此，输入电容的等效串联电阻是从差模噪声发生器看进去的阻抗Zdm主要部分。输入电容除了承受从电源线流入的工作电流外，还提供开关管所需的工作电流高频脉冲电流，但无论如何，电流必然会通过电阻产生压降，如电容等效串联电阻，因此输入滤波器电容器的两端都会出现高频高压纹波来自差模电流。它基本上是一个电压源（由等效串联电阻导致的）。理论上，整流桥导通时，该高频纹波噪声应该仅出现在整流桥输入侧。事实上，整流桥关断时，噪声会通过整流桥二极管寄生电容泄漏。

高频电流流入壳体有许多偶然的路径。当开关电源中主开关管的漏极跳变时，电流通过开关管与散热器之间的寄生电容（散热器连接到外壳或散热器是外壳）。当交流电网电流保持整流桥连接时，注入外壳的噪声几乎相等，因此流入零线和火线。因此，这是纯共模噪声。

3 共模电感如何抑制共模信号

共模信号是两个幅度相等、相位相同的信号，共模信号一般来自电网，共模信号会影响电路板的正常工作，也会以电磁波的形式干扰周围环境。

既然共模信号是用电感抑制的，那肯定和磁场有关。首先介绍通电螺纹感，磁场的方向（对于项目应用，如抑制共模信号，不需要定量计算、磁场和磁通量大小，感兴趣的童鞋，这里推荐一本书可以参考，开关电源磁元件赵秀科老师）。判断通电螺管磁场方向的方法是右手握住螺管，四指指向电流方向，拇指指向磁场方向。接下来介绍一个重要的术语，磁通。垂直通过截面的磁力线总量称为截面的磁通量，称为磁通量。磁线是通电螺线管产生的，实际存在，但看不见也摸不着。磁线是一个封闭的电路。对于通电螺线管，磁线应通过螺线管内部，磁线与磁感应强度B成正比。如图3所示，是通电螺线管产生磁力线的示意图。

图3 螺线管磁力线

如图4所示，通过某一截面的磁通

图4 磁通穿过截面

用F表示磁通量是一个标量，单位是韦伯，代号Wb。磁通量与磁感应强度B、截面积A的关系如下：

F=BA

从关系类型可以看出，横截面上的磁线越多，磁通量就越大。对于绕在磁芯上的线圈，在其上通电流i，线圈的电感L可以表示为：

L=NF/i

N线圈匝数。

到目前为止，通过以上简要概述，我们可以知道，当匝数和电流不变时，磁芯周围的线圈越多，磁通量越大，相应的电感量越大。电感的自然功能是防止流过其上电流的变化，其本质是防止其磁通量的变化。这是利用共模电感抑制共模电流的基本原理。

如图5所示，共模电流在共模电感上产生的磁感应强度和电流I磁感应强度为1B1，电流I2产生的磁感应强度为B2.两个黄色箭头分别表示电流I1和I2在铁氧体中产生的磁力线可以看到电流I1和I2产生的磁线是相加的，所以磁通量也是相加的，所以电感量是相加的，电感量越大，对电流的抑制能力就越强。

图5共模电流在共模电感上的磁通分布

共模电感如何抑制共模电流可以用一句话来解释，即当共模电感流过共模电流时，磁环中的磁通量相互叠加，从而具有相当大的电感，抑制共模电流。

当两个线圈流过差模电流时，铁氧体磁环中的磁力线相反，磁通相互抵消，几乎没有电感，因此，差模信号基本上可以无衰减通过(考虑到电感本身有一定的电阻)。因此，开关电源的输入滤波器不仅可以添加共模电感，还可以添加共模电感来抑制共模电流，防止电路误触发。

4共模电感选择

可根据共模电感的额定电流、直流电阻和额定频率的阻抗值要求进行设计：

1 最小电感值按阻抗值计算

2 选择共模电感磁芯材料和磁芯尺寸

3 确定线圈匝数

4 选择导线

共模电感最小电感值计算公式：

Xl当频率为时的阻抗值

扼流圈(单位:Ohms）除以信号开始衰减时的角频率或以上频率。例如，在50Ω当频率达到4000 Hz 或者当上述信号开始衰减时，需要使用1.99 mH （50/2π×4000)电感。共模滤波器的相应结构如下图6所示：

选择所需的滤波频段，共模阻抗越大越好，因此在选择共模电感时，主要根据阻抗频率曲线选择设备数据。

电感计算出来后，和普通设计的电感一样，这里就不详细了。

绕制电感时要注意一些事项，

1)绕在线圈磁芯上导线应相互绝缘，确保线圈匝间在瞬时过电压作用下无短路击穿。

2)当线圈流过瞬时大电流时，磁芯不应饱和。

3)线圈中的磁芯应与线圈绝缘，以防止两者在瞬时过电压下击穿。

4)线圈应尽可能绕组单层，以减少线圈的寄生电容，增强线圈授予瞬时过电压的能力

选择共模电感磁芯时，应考虑形状尺寸、适用频段、温升和价格。常用磁芯为U型E型和环形。

相对而言，环形磁芯更便宜，因为只有一个环形可以制成。其他形状的磁芯必须有一对才能用于共模电感，此外，在成型过程中，考虑到两个磁芯的匹配，还需要增加研磨过程才能获得更高的磁导率，但不需要环形磁芯；与其他形状的磁芯相比，环形磁芯具有更高的有效磁导率，因为两个匹配的磁芯在组装过程中无论如何工作都无法消除气隙，因此有效磁导率低于单个封闭磁芯。然而，环形磁芯绕组的成本较高。由于其他形状的磁芯有一个支撑线架，绕组可以由机器操作，而环形磁芯只能手动操作或机器（低速）操作；而且磁环孔径小，机器难以穿线，需要人工绕组，费时费力，加工成本高，效率低；安装不方便。如果添加底座，成本将上升。与综合性能相比，磁环性能更好，价格。由于成本因素，磁环主要用于大功率电源。当然，由于体积小，所需的小功率电源可以使用磁环磁芯。主要作用是高磁导率锰锌铁氧体磁芯应用于滤除低频噪声共模电感；相反，应选择适用于高频镍锌铁氧体磁芯或磁粉芯磁芯。它通常适用于高频磁芯，因为它有分布式气隙，所以磁导率相对较低，两者得。然而，与普通人相比电感器不同的是，共模电感的作用是对噪声信号形成更大的插入损耗，以减少噪声干扰。锰锌铁氧体在高频时，虽然其有效磁导率很小，但随着频率的增加，磁芯损耗增加，对高频噪声有很大的阻碍作用，因此也可以减弱高频干扰，但效果相对较差。然而，较大的磁芯损耗会导致磁芯加热，而较小损耗的磁芯价格也较高。