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在新产品研发设计阶段就需要考虑EMC设计问题,要比产品EMC测试不合格改进可以大大的节约费用,在功能设计时同时考虑EMC问题,到样机完成时通过EMC测试,是最省时间和最有经济效益的。
共模电感,又称共模扼流圈。由于在EMC所面临常见的问题多是共模干扰,因此共模电感常常是我们解决EMC问题的有效器件,常常用于开关电源和高速差分信号中过滤共模干扰噪声。
- 共模干扰定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差;
- 差模干扰定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差。
通常共模电感是以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件,由两个尺寸相同,匝数相同的线圈对称的绕制在同一个磁芯上所形成的四端元器件,能对共模信号呈现出较大的电感特性起到抑制作用,差模信号可以几乎无衰减的通过。
绕制方法
共模电感通常有两周绕制方法,双线并绕和两组分开绕制,绕制方向相反
分开绕制有较小的耦合电容和较高的漏感。
双线并绕有较小的差模电感,较高的耦合电容。
通常较大的耦合电容使得干扰噪声容易通过耦合电容耦合出去使得滤波效果变差,所以通常使用双线分开绕制的方式。
漏感
在实际的电感模型中,总是存在漏感或差模电感部分,按照下图所连接测得的数值就是漏感或叫差模电感,通常在共模电感中,差模电感和漏感是一回事,可以称漏感也可称差模电感,较好的共模电感漏感在1%~2%左右。
特殊形况下会将差模电感和共模电感做到一起,此时的差模电感量就需要按照实际的做了。
共模电流及差模电流
共模是指信号或噪声在所有线路中以相同方向流动。差模(正常)是指信号或噪声在一对线路中以相反方向流动。
进一步说明请考虑下文所示的配置,其中两根铜线缠绕在铁氧体环形磁芯上。在这种结构中,可以存在两种模式:一种是电流同向流动(共模),另一种是电流反向流动(差模)。
在实际应用中,共模电感通常不会饱和,即使面对较大的差模电流。当差模电流通过共模电感时,其磁通会相互抵消,导致在磁路中几乎不会产生磁通。
要理解为什么共模电感不容易饱和,我们可以看下面的图示。当差模电流流过电感时,其磁通是相互抵消的,因此在磁路中几乎没有磁通产生。这意味着共模电感不会受到差模电流的影响而饱和。在线圈足够粗的情况下,即使额定电流为5A的共模电感流过100A的差模电流,也不会发生饱和现象。
对于共模电感,当有共模干扰电流流经线圈时,由于共模干扰电流的同向性,会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗,使线圈表现为高阻抗,产生较强的阻尼效果,以此衰减共模干扰电流,达到滤波的目的。
假设一对共模电流流向如下图所示,两个滤波电感各自独立,没有磁通上的联系。这样能不能滤波共模电流呢?当然也能,相当于差模电感,各自为战,效果差一点。
然而,如果我们将这两个电感合二为一,共用一个磁环,会发生什么情况呢?显而易见,流过L1的共模电流和流过L2的共模电流会产生磁通相互叠加,总磁通会增加。这样的设计可以提高共模电感的滤波效果。
在电路中,L1和L2之间不仅存在自感,还存在互感。除了L1本身的电感之外,L1的电感量还受到L2互感的影响,同样地,L2的电感量也受到L1互感的影响。当L1中的电流产生磁场时,会导致L2产生互感电动势。互感电动势的方向总是会阻碍磁场的增加。因此,在L2中会产生一个与共模电流方向相反的电流,从而抵消掉L2中的共模电流。反过来,L1对L2的互感电流也与L1的共模电流方向相反,因此L1的共模电流也会被抵消。
通过这种互感作用,L1和L2共同工作,能够有效地抑制共模干扰。当共模干扰电流通过这两个电感器时,它们会在各自的线圈内产生相同方向的磁场,从而增大线圈的感抗,使其呈现出高阻抗特性。这样就能够有效地衰减共模干扰电流,达到滤波的目的。
铁氧体材料
根据共模电感的原理,要使用高磁导率材料,并可用较小的磁芯获得较大的磁感量。
常用的铁氧体通常有两种,锰锌MnZn和镍锌NiZn,除铁氧体外还有硅钢片,铁粉,铁硅铝,非晶,超微晶,坡莫合金等等,一般民品用到非晶,超微晶和坡莫合金的不多,但是军品几乎都有用到。
非晶,超微晶实际使用不多,一是价高,二是市场上这类材料供应较成问题,也就是说交货期长。但这两种材料的好处也是显而易见的,磁导率高,工作温度高。
MnZn的磁导率高,但工作频率低,适合30MH在已下,NiZn工作频率高磁导率低,适合高频,高可以搞到GHz,虽然初始磁导率低(<1000µ),但是它们可在非常高的频率(>100MHz)下保持磁导率不变。而MnZn的磁导率可超过15,000,但是在频率为20kHz时磁导率就可能开始下降。
MnZn在低频时磁导率非常大,所以非常适用于抑制10kHz到50MHz范围内的电磁干扰。而在常规的开关电源的10kHz到50MHz。
铁氧体形状
铁氧体可以采用多种形状:环形磁芯、E型磁芯、罐型磁芯、RM和EP磁芯等等,但共模滤波器大多绕制在环形磁芯上。
首选环形磁环,其AL(单匝情况下的电感量)值较高,磁环比较安静(不会有机械振动噪音)并且辐射小。
同时环形磁芯比其他形状的磁芯便宜,因为环形磁芯是一整个零件,而其他形状磁芯是由两半构成。磁芯由两半构成时,必须研磨这两半的结合面,使它们平整光滑,从而使两半之间的气隙最小。另外,高磁导率磁芯一般需要额外的研磨程序,使它们更为光滑(产生镜面般的表面)。环形磁芯不需要上述额外加工过程。
此外,TDK存在一种闭合磁芯拓扑结构的共模扼流圈。该扼流圈将绕线分配到多个线槽,使其具有更高的谐振频率和阻抗性能。相比于基于U型磁芯的元件,这类线圈通常具有更高的电感值,其分段绕组实现了高自谐振频率。闭合磁芯形状实现了高标称电感值。
D型磁芯扼流圈采用了具有分隔开的绕组线槽(每个绕组分为2段),使元件具有更高的谐振频率和更好的脉冲耐久性。
主要和典型应用
消费类电器:冰箱(压缩机)、空调(压缩机和风扇电机)、洗碗机(水泵)和真空吸尘器(电机驱动)。
工业应用:冷却风扇和压缩机,以及用于冷却和加热系统的循环泵和通用电机驱动器,例如输送带、升降机和滑动门。
输入滤波
直流链路
额定温度
根据工业标准定义,额定温度 (TR) 是指电感器在额定电流 (IR) 条件下能承受的最高环境温度。如果应用中的环境温度高于额定温度,应考虑降额使用以确保安全运行。