共模电感设计.docx

1.前言近年来，由于政府机构或其他团宥訣MC （电磁兼容）日益重视，工程师们在设计产品时亦 是非常注意产品的辐射问题特别值得一提的是：直流变换器很高的开关频率及尖峰脉冲斜 波就是一典型的EMI （电磁干扰）共模电感就是一个重要的抗电磁干扰零件，它可以在一宽频条件下提供非常高的阻抗大多 数EMI滤波器主要部件就是一共模电感在此文中，主要介绍共模电感的设计及磁芯选材 问题2•基本的共模开关电源有两种噪声：一为共模，另一为差模与输入信号的路径相同的噪声称之为差模噪 声，而每相相同的从接地到输出的尖峰信号称之为共模噪声详见图1A和1B）图1丄差模噪声国：共模噪茹eik：o. i： um一典型抗电磁干扰滤波器包含共模电感，差模电感及X,Y电容Y电容和共模电感使共模噪声衰减在高频噪声时，电感呈现高阻抗特性，并且反射和吸收噪声然而电容呈低阻抗（至接地）且改变主线的噪声方向见图2）高阻抗低阻抗噪声的来源www.ei28. com共模电感两绕组圈数是相同的，产生两大小相等方向相反的磁通量此两磁通相互抵消因 此使磁芯处于无偏磁状态差模电感只有一个绕组，需要磁芯提供一完全无饱和线性电流 此与共模电感有较大的不同。

为防止磁饱和，差模电感必须使用一低的有效磁导率的磁芯（有 气隙的铁氧体或铁粉磁芯）然而，共模电感可以使用一较高的磁导率磁芯且在磁芯相对小 的条件下可得到一比较高的电感3.磁芯选材首先，噪声是由开关电源的单位基频所产生的，再加上高频谐波也就是表示噪声在lOKHz 到50MHz范围内都会存在为此，电感必须有更宽的频率范围内存在高阻抗特性共模电 感的总阻抗由两部分组成：串联感抗（Xs）和串联电阻（Rs）在低频时，阻抗呈感抗特性 但随着频率的增加，有效磁导率下降，感抗亦在下降见图3）由串联感抗（Xs）和串联电 阻（Rs）的相互作用，在整个频宽内产生一可接受的阻抗（Zs）对于大多数产品来讲，共模电感的磁芯都选用铁氧体（镍锌系和锰锌系）镍锌系磁芯的特 点是具有较低的初磁导率，但在非常高的频率（大于100MHz）时，仍能保持初磁导率而 锰锌系则恰恰相反，其具有很高的初磁导率，但在频率很低（20KHz）时，磁导率可能会衰 减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然而锰锌系 磁芯在低频时，能提供非常高的阻抗特性，且非常适用于lOKHz到50MHz的抗电磁干扰 基于此，本文只集中讨论锰锌系磁芯。

锰锌系磁芯有很多种形状：环形，E形，罐形，RM形及EP形等等但对于大多数共模电 感都是使用环形磁芯主要是有以下两种好处：第一：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 构成共模电感所需，且在成型时，因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第二：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，故有效磁导率比只有单一封闭形磁芯要低环形磁芯有一缺点：绕线成本较高因其他形状磁芯有一配套线架在使用，绕线都可以机器 作业，而环形磁芯只可以手工作业或机器（速度较低）作业但通常情况下，共模电感圈数 较少（小于30圈），故绕线成本比较少基于上述原因，下面的共模电感都是对使用环形磁芯的叙述4•设计考虑共模电感设计所需的基本参数为：输入电流，阻抗及频率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/cm3但此取值须随电感温升的变化通常情况 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共模电感的阻抗在所给的频率条件一般规定为最小值。

串联的线性阻抗可提供一般要求的噪 声衰减但很不幸，线性阻抗有相当少的人知道，因此设计人员经常以50W线性阻抗稳定 网络仪来测试共模电感，并渐渐成为一种标准测试共模电感性能的方法但所得的结果与实 际通常有相当大的差别实际上，共模电感在正常时角频首先会产生每八音度增加-6dB衰 减(角频是共模电感产生-3dB )的频率此角频通常很低，以便感抗能够提供阻抗故电感可 以用下式来表达：Ls=Xx/2nf (1)电感大家都知道，但值得一提的是，设计时须注意磁芯，磁芯材质及所需的圈数首先，设 计第一步是磁芯型号的选取，如果有规定电感空间,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；第二步是计算磁芯所能绕最大圈数共模电感有两绕组，一般为单层，且每绕组分布在磁芯 的每一边，两绕组中间须隔开一定的距离双层及堆积绕组亦有偶尔使用，但此种作法会提 高绕组的分布电容及降低电感的高频性能由于铜线的线径已由线性电流的大小所决定，内 圆周长可以由磁芯的内圆半径减去铜线半径计算得来故最大圈数的就可以铜线加绝缘的线 径及每个绕组所占据的圆周来计算5•设计案例要求：在工作频率为lOKHz,输入线性电流为3A(RMS)时，阻抗为100欧的共模电感。

1) 选取线径铜线截面积=3A/400A/cm2=0.0075cm2铜线线径=2=0.98mm取铜线线为1.0mm2) 计算最小电感值3） 假如无指定空间，任取一磁芯内径（ID）=13.72+/-0.38=13.34mm MIN4） 计算内圆周长和最大可绕圈数内圆周长=3.14x（13.34-1.08）=38.5mm最大圈数=（160/360）x38.5/1.08=15.8TS 或 16TS5） 计算磁芯的AL值，并选取材质磁芯的 AL 最小值=1.59/162=6211nH/TS2MIN因此种磁芯AL值变化范围一般为+/-30%故磁芯的AL值取9000nH/TS2，以上述条件，即 可选取一合适磁芯6.总结共模电感的设计看起来十分简单，但实际上，它还有点复杂为了防止磁芯饱和时，必须考 虑温度及应力等等因素但如果对磁芯材料特性比较了解，此问题就不难解决此文只是介 绍了共模电感基本的设计方法，希望对大家有一定的帮助并能提供其它的参考意见！。