用于电磁干扰滤波器的共模电感器.docx
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用于电磁干扰滤波器的共模电感器
1
所以共模电感器和差模电感器有很大差异。
为防止磁芯饱和,差模电感器磁芯的有效磁导率必须低（间隙铁氧体或磁粉芯。
但是共模电感器可使用高磁导率材料,并可用较小的磁芯获得非常大的电感。
选择材料
开关电源产生的噪声主要位于装置基频处,并包括高次谐波。
也就是说,噪声频谱一般包括10kHz到50MHz之间的部分。
为了提供合适的衰减,电感器的阻抗在此频带内必须足够高。
共模电感器的总阻抗由两部
分构成,一部分是串联感抗（Xs,
另一部分是串联电阻（Rs。
在
低频时,电抗是阻抗的主要部分,
但随着频率升高,磁导率的实部
减小,磁芯损耗增大,如图3所
示。
这两个因素综合起来有助于
在整个频谱上实现可接受的阻抗
（Zs。
多数情况下,共模电感器使用
铁氧体。
铁氧体可分为两类:
镍
锌类和锰锌类。
镍锌材料的特点
是初始磁导率低（<1000µ,但
是它们可在非常高的频率
（>100MHz下保持磁导率不变。
Spang&Co.公司
公司分部
分部
图2.共模滤波器
2
相反,锰锌材料的磁导率可超过15,000,但是在频率为20kHz时磁导率就可能开始下降。
由于初始磁导率低,镍锌材料在低频时不能产生高阻抗。
噪声主要部分的频率大于10或20MHz时,它们是最常用的材料。
但是锰锌材料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。
因此,下文着重讨论高磁导率锰锌铁氧体。
高磁导率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。
使用环形磁芯有两大原因。
第一,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。
第二,环形磁芯的有效磁导率比其他任何形状的磁芯都高。
如果采用其他形状的磁芯,就要采用两半式结构,这样会在两半结构之间出现气隙,从而减小整个部件的有效磁导率（一般大约减小30%。
研磨可以减小气隙,但无法消除气隙。
由于环形磁芯是整体结构,不是由两半构成的,所以没有气隙,有效磁导率也不会减小。
但是环形磁芯也有一大缺点,那就是绕制成本很高。
其他磁芯绕制可以使用骨架绕制既快速又经济。
环形磁芯需要专用绕线机,或者必须人工绕制,这使单件绕制成本较高。
不过还好,共模电感器匝数一般很少,所以
绕制成本不会过高。
因此,共模电感器最好采用
环形磁芯,下文着重讨论环形磁
芯。
设计时需要考虑的因素
设计时需要考虑的因素
设计共模电感器所需的基本
参数是输入电流、阻抗和频率。
输入电流决定绕组导体尺寸。
计
算线径时,一般采用每平方厘米
四百安培的设计值,但是根据电
感器可接受的温升,也可能采用
其他设计值。
几乎在所有情况下
都采用单股导线,因为它不但最
便宜,而且因高频肌肤效应产生
的铜损有助于减弱噪声。
电感器的阻抗通常取给定频
率下的最小值。
.此阻抗与线路阻
抗串联,可实现期望的噪声衰减。
可惜线路阻抗大多未知,所以设
计人员经常要使用50Ω线路阻
抗稳定网络（LISN测试滤波器。
这已经成为测试滤波器性能的标
准方法,但是其结果可能和实际
情况有很大不同。
真正的一阶滤波器在超出转
折频率时可使衰减在每个倍频上
增加-6dB。
转折频率一般较低,
足以使感抗成为阻抗的主要部
分,所以可用下式计算电感:
Ls=Xs/2πf。
知道电感后,余下的设计工
作就是选择磁芯和材料,以及计
算匝数。
设计时第一步常常是选择磁
芯尺寸。
如果对设计有尺寸要求,
那么只要能保证磁芯经绕制后仍
能满足这些要求,就应选择可满
足要求的最大尺寸磁芯。
如果没
有尺寸限制,可以随意选择磁芯
尺寸。
接着是计算磁芯上要绕制的
最大匝数。
共模电感器需要两个
绕组,通常都是单层,各绕制在
磁芯一端,互相隔离。
有时也使
用双层和叠绕绕组,但是这两种
绕组会使绕组的分布电容增大,
从而降低电感器的高频性能。
图3.阻抗-频率曲线圖
3
因为线径已经由线路电流确定,所以根据磁芯内半径减去导线半径所得的值,可计算出内周长。
每个绕组所占内周的长度除以导线直径加上绝缘厚度所得的值,就可以计算出最大匝数。
注:
如果在绕组之间隔离,每个绕组一般占据150°到170°
的内圆周。
计算出最大匝数后,下一步是选择材料,以及确定电感。
选择材料时要考率许多因素,例如工作温度、频率范围和成本。
但首先要验证所选磁芯尺寸,其他因素可稍后考虑。
所以,应选择具有合适磁导率的材料,然后计算电感。
多数铁氧体制造厂家会给出所生产磁芯的电感系数（AL值,这样计算电感就方便很多。
匝数和电感之间的关系是:
N=1000（L/AL1/2
其中:
N=匝数
L=电感（毫亨
AL=电感系数,单位是毫亨/1000匝
表1列出了典型设计资料,并
给出使用AL值进行计算的例子:
.
对于该例子:
选用J材料（5000µ,AL值
是3020
N为20匝,所以:
L=1.208毫亨
如果此最小电感对于设计来
说太小,可以选择磁导率更高的材
料或更大的磁芯。
但是,如果计算
出的电感远高于设计限制,则可以
换成更小的磁芯,使用匝数更少。
设计示例
设计示例:
:
在10kHz时需要100Ω阻抗。
输
入线路电流为3ARMS。
1.选择线径
选择线径:
:
电流为3A,电流密度为400
A/cm²,所以导线截面积是
0.0075cm²。
选择#19AWG,其导线截面积
是0.007907cm²（直径为1
mm,包括绝缘层。
2.计算最小电感
计算最小电感:
:
L最小=100Ω/2π（10,000Hz
=1.59毫亨
3.从表中选择磁芯尺寸和材料
从表中选择磁芯尺寸和材料:
:
选择J-42206-TC
AL=3020±20%
内径=13.72mm
±0.38mm=13.34mm（最小
4.计算内周长（I.C.和可能实
和可能实
现的最大匝数
现的最大匝数:
:
I.C.=π（磁芯直径-导线
直径
I.C.=π（13.34mm-1mm
I.C.=38.76mm
最大匝数=（160°/360°*
（38.76mm/（1mm/匝
I.C.=17.2匝,或17匝
5.计算
计算17匝时的最小电感
匝时的最小电感:
:
AL=3020±20%
N=1000（L/AL1/2
17=1000（L/3020-20%1/2
L=0.698毫亨（最小
这个值远低于所需的1.59毫
亨,所以必须进行修改。
可改变的
参数是磁芯尺寸、材料磁导率和线
径。
磁芯越大,内径就越大,因而
可在磁芯上绕制更多匝（磁芯越大
AL值也越大。
材料磁导率越高,
电感就越大,并且线径越小,可绕
制的匝数就越多。
（但这也会增加
铜损
继续上面的例子,如果要保持
42206-TC的尺寸,就要为每种材
料重新计算匝数。
表1列出了典型设计资料和使用AL值的计算例子。
磁芯类型外径（mm内径（mm高度（mmAL（毫亨/1000匝le（cmAe（cm²Ve（cm³
J20%（5000µ
W30%
（10,000µ
H30%
（15,000µ
42206-TC22.113.726.353020604090605.420.2501.36
4
J材料（5000µ:
N=1000（1.59毫亨/3020-20%½=25.6
匝
W材料（10,000µ:
N=1000（1.59毫亨/6040-30%½=19.4匝
H材料（15,000µ:
N=1000
（1.59毫亨/9060-30%½=15.8匝
如果使用J材料,那么肯定要使用较小的线径,而原来的线径很适合H材料。
W材料所需的匝数只比以上第4步计算出的最大匝数（17匝稍大一点。
应在此磁芯上绕制试验性的绕组,看看是否需要更小的线径。
上述选择磁芯的步骤可能非常费时。
为加快选择过程,在图5中给出“磁芯选择图”。
使用方法很简单,只需用RMS线路电流乘以所需电感（单位毫亨,然后在横坐标轴上找出相应点。
沿此图向上移动,一直到和适当的材料对角线相交,然后继续向上移动,一直到刚好到达下一条水平“磁芯的尺寸线”。
这条线相应于图中纵坐标轴上的某一磁芯尺寸。
图中包括了J、W和H材料。
显然使用H材料时磁芯尺寸最小。
在此图中,假设电流密度是400A/cm²,磁芯为单层绕组。
如果采用其他电流密度,需要作些推测（Jµ在200A/cm²时可使用Wµ线。
此图仅仅是为了方便选择磁芯,最终设计可能会稍大些或稍小些。
频率特性
通过上述设计方法可获得磁芯尺寸和材料,但是没有涉及太多其他必须考虑的细节。
例如,共模滤波器的工作频率范围非常宽（有关电磁干扰的政府法规可达30MHz,所以必须了解超出转折频率的材料性能。
图4。
环形磁芯内圆周
锰锌铁氧体在低频
（<500kHz时磁导率较高,但随
着频率增大磁导率减小。
磁导率越
高,开始下降处的频率越低。
但还
好,这些材料在高频时（超过
100MHz损耗也变得很大,这些
电阻损耗使电感器的总阻抗较高。
图6和7说明三种高磁导率材
料（J、W和H的串联感抗（Xs
和串联电阻（Rs如何随频率变化。
图8是每种材料的总阻抗-频率
特性。
所示测量结果是在绕了10
个线匝的42206-TC磁芯上取得
的。
从图中可看出,H材料在低频
时明显比W和J材料优越。
但是
在100kHz到200kHz之间,H
材料的磁导率降低很多,使总阻抗
远低于W材料的阻抗。
5
所以达到2MHz之前W材料阻抗最高,而2MHz之后J材料阻抗最高.如果噪声频谱已知,此类曲线就能帮助设计人员选择适当材料.频率MHz图6.串联电抗-温度.频率MHz图7.串联电阻-频率.多数铁氧体材料性能受温度影响.共模扼流圈设计人员主要关注对磁导率和磁感应强度的影响.随着温度升高,多数材料磁导率增大.图9是W材料的曲线.同样,温度低于25°C时预计磁导率会下降.设计最小滤波器电感时,必须考虑到最坏情况的磁导率波动.温度还影响饱和磁感应强度.图10说明W材料的磁感应强度一般随着温度升高而减小.可用磁感应强度减小使磁芯更容易饱和.另外,所有磁性材料都有居里温度,在此温度下材料失去磁性.高磁导率铁氧体的居里温度通常在120°C到175°C之间.必须知道居里点在哪里,必须使磁芯工作温度低于居里温度.铁氧体不会因超过居里温度而损坏（例如在焊接期间,但是如果在工作期间达到居里温度,铁氧体会失去磁性.最后,铁氧体环形磁芯通常涂有绝缘涂层（即聚对二甲苯或环氧树脂等,使磁芯和绕组互相绝缘.这些涂层有自己的额定温度,可能因受热或接触装配期间使用的强洗涤剂而受损.查找有关磁芯涂层的资料,以及前面提到的其他材料性质时应注意参考的制造厂家的数据手册.铁氧体材料容易产生机械应力,包括压应力和张应力.在合适的应力作用下,高磁导率材料特别容易受影响,而且磁导率可能产生严重的有害变化.磁芯应力有两大原因:
密封剂和绕组.如果密封剂的热膨胀系数和铁氧体不同,就会导致应力.频率MHz图8.总阻抗-频率.6
所选密封剂的热膨胀系数应尽可能和铁氧体接近,即使很小的差别也可能引发问题.所以,可以使用一种补救措施,就是在封装磁芯之前,在磁芯上加一层RTV之类的弹性材料.温度波动期间密封剂产生应力时,这种弹性涂层可以分散一些应力.在磁芯上绕制导线时会产生绕组应力.共模电感器通常绕有相当重的导线,这些导线必须拉紧才能很好地缠绕在磁芯上.因此产生的应力可能非常大.通过温度循环一般能消除大部分绕组应力.温度循环范围应为-55C到+150°C,在每一端温度下都要保持30分钟到1小时.变化速度应仅为每分钟几度,防止对铁氧体产生热冲击（裂解.在此过程中,铜线会膨胀和收缩,从而消除施加在磁芯上的力.为说明应力对铁氧体的作用,对磁导率不同的四个环形磁芯（3000,5000,10,000,15,000施加张力,并测量它们的电感.图11中是测量结果,以占初始磁导率的百分比对应每单位磁芯截面积上的力的形式给出.不出所料,15,000磁导率材料的磁导率减小最多,3,000磁导率而图10.磁通密度-温度材料的磁导率减小最少.磁芯饱和一般认为共模电感器不会饱和,磁芯中的差模磁通抵消掉了,而共模磁通因为非常少可以忽略.但这并不完全对.其他人[4,5]已经证明一部分差模磁通经绕组离开了磁芯.这种漏磁通和导线中的电流以及绕组的漏感成比例.漏磁通离开磁芯而没有抵消掉,所以漏磁通有可能在导线电流很大时使磁芯材料饱和,或至少使工作点从BH回路的原点偏移至磁导率增量（较小的点.磁导率减小导致串联感抗（XS成比例减小,还会导致有害的噪声通过滤波器.磁芯饱和问题在不含校正功第三个10匝绕组放在磁芯上,率因数的开关电源中会加剧.电并和电感分析仪相连.容器充电电流较高,而且振幅因数比RMS电流大3到4倍时,很容易使磁芯饱和,同样也会使共模噪声通过（图12.另外,正如前面提到的,工作温度高会降低饱和磁感应强度,从而加剧这些问题.为说明磁芯饱和的影响,将三个磁芯（J,W和H三种材料各一个磁芯绕制成共模滤波器形式.每个磁芯都有两个15匝绕组,导线采用#18AWG.7
然后将共模绕组串联起来,于是通过它们的任何电流都会产生相反磁通.接着,将这些绕组接到直流电源上.在直流电流从0增大到15A过程中,测量10匝绕组的电感.直流电流模拟通过共模电感器的瞬间线路电流.如图13所示,随着电流增大,所有磁芯电感都减小.J和W材料在10安和15安时减小的百分比相同（分别为10%和24%,而H材料减小的稍多一些（分别为15%和35%.这些结果说明共模电感受漏感影响,而且在峰值电流下磁芯可能饱和.如果发现电感器出现局部磁芯饱和现象,就可能需要换用磁导率更高的材料.由于磁导率更高,因而可通过增大起始电感来抵消磁芯饱和的影响,如图13所示,或者通过减小匝数而降低饱和度,从而减小漏感.采用不同磁芯尺寸和绕制技术也可以减小漏感.参考文献1.MAGNETICS技术公报,FC-S2,1994.2.MAGNETICS铁氧体磁芯产品目录,FC-601,1994.图11.电感-张力强度.3.Srebranig,Steven和LeonardCrane,共模滤波器设计指南,CoilcraftPublication出版公司,1985.4.Nave,Mark,共模电感器建模,出版商和日期未知.5.Nave,Mark,一种用于诊断传导干扰的新式差模抑制网络,IEEE,1989.6.Crane,Leonard和Steven图12.因大的振幅因数导致的磁芯饱和B-H曲线.Srebranig,共模滤波电感器分析,CoilcraftPublication出版公司,1985.7.Knurek,D.F.,减少开关电源中的电磁干扰,IEEE,1988.1995,摘自PCIM杂志（1995年7月刊重印.图13.电感-导线电流.8FC-S510D
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