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共模電感(Common mode Choke),也叫共模扼流圈,常用於電腦的開關電源中過濾共模的電磁干擾信號。在板卡設計中,共模電感也是起EMI濾波的作用,用於抑制高速信號線產生的電磁波向外輻射發射。

1 共模電感 -基本簡介

共模電感也叫共模扼流圈,用於各種開關電源過濾共模的電磁干擾信號。共模電感是起EMI濾波的作用,用於抑制高速信號線產生的電磁波輻射。在機頂盒電源中的主板上混合了高頻電路、數字電路和模擬電路,它們工作時會產生大量高頻電磁波互相干擾。EMI還會通過主板布線或外接線向外發射,造成電磁輻射污染,不但影響其他的電子設備正常工作,還對人體有害。共模電感實質上是一個雙向濾波器:一方面要濾除信號線上共模電磁干擾,另一方面又要抑制本身不向外發出電磁干擾,避免影響同一電磁環境下其他電子設備的正常工作。

共模電感的磁芯具有較高的初始導磁率,在磁場下具有大的阻抗和插入損耗,對干擾具有極好的抑制作用。共模電感線圈繞在同一鐵芯上,匝數和相位都相同(繞制反向)。這樣,當電路中的正常電流流經共模電感時,電流在同相位繞制的電感線圈中產生反向的磁場而相互抵消,此時正常信號電流主要受線圈電阻的影響,當有共模電流流經線圈時,由於共模電流的同向性,會在線圈內產生同向的磁場而增大線圈的感抗,使線圈表現為高阻抗,產生較強的阻尼效果,以此衰減共模電流,達到濾波的目的。

 

共模電感共模電感成品展示
共模電感在日常生活中最常見的就是計算機應用中,計算機內部的主板上混合了各種高頻電路、數字電路和模擬電路,它們工作時會產生大量高頻電磁波互相干擾,這就是EMI。EMI還會通過主板布線或外接線纜向外發射,造成電磁輻射污染,不但影響其他的電子設備正常工作,還對人體有害。

PC板卡上的晶元在工作過程中既是一個電磁干擾對象,也是一個電磁干擾源。總的來說,我們可以把這些電磁干擾分成兩類:串模干擾(差模干擾)與共模干擾(接地干擾)。以主板上的兩條PCB走線(連接主板各元件的導線)為例,所謂串模干擾,指的是兩條走線之間的干擾;而共模干擾則是兩條走線

共模電感共模電感

和PCB地線之間的電位差引起的干擾。串模干擾電流作用於兩條信號線間,其傳導方向與波形和信號電流一致;共模干擾電流作用在信號線路和地線之間,干擾電流在兩條信號線上各流過二分之一且同向,並以地線為公共迴路。如果板卡產生的共模電流不經過衰減過濾(尤其是像USB和IEEE 1394介面這種高速介面走線上的共模電流),那麼共模干擾電流就很容易通過介面數據線產生電磁輻射——在線纜中因共模電流而產生的共模輻射。美國FCC、國際無線電干擾特別委員會的CISPR22以及中國的GB9254等標準規範等都對信息技術設備通信埠的共模傳導干擾和輻射發射有相關的限制要求。為了消除信號線上輸入的干擾信號及感應的各種干擾,我們必須合理安排濾波電路來過濾共模和串模的干擾,共模電感就是濾波電路中的一個組成部分。

共模電感實質上是一個雙向濾波器:一方面要濾除信號線上共模電磁干擾,另一方面又要抑制本身不向外發出電磁干擾,避免影響同一電磁環境下其他電子設備的正常工作。我們常見的共模電感的內部電路示意圖,在實際電路設計中,還可以採用多級共模電路來更好地濾除電磁干擾。此外,在主板上我們也能看到一種貼片式的共模電感,其結構和功能與直立式共模電感幾乎是一樣的。

2 共模電感 -性能特點

共模電感共模電感
具有極高的初始導磁率,在地磁場下具有大的阻抗和插入損耗,對若干擾具有極好的抑制作用,在較寬的頻率範圍內呈現出無共振插入損耗特性。

高初始導磁率:是鐵氧體的5-20倍,因而具有更大的插入損耗,對傳導干擾的抑制作用遠大於鐵氧體。

高飽和磁感應強度:比鐵氧體高2-3倍。在電流強幹擾的場合不易磁化到飽和。

卓越的溫度穩定性:較高的居里溫度,在有較大溫度波動的情況下,合金的性能變化率明顯低於鐵氧體,具有優良的穩定性,而且性能的變化接近於線性。

靈活的頻率特性:而且更加靈活地通過調整工藝來得到所需要的頻率特性。通過不同的製造工藝,配合適當的線圈炸熟可以得到不同的阻抗特性,滿足不同波段的濾波要求,使其阻抗值大大高於鐵氧體。

應用範圍:電網共模干擾濾除和電子設備和電子儀器抗衝擊干擾。

3 共模電感 -工作原理

共模電感共模電感各種型號展示
共模電感的濾波電路,La和Lb就是共模電感線圈。這兩個線圈繞在同一鐵芯上,匝數和相位都相同(繞制反向)。這樣,當電路中的正常電流流經共模電感時,電流在同相位繞制的電感線圈中產生反向的磁場而相互抵消,此時正常信號電流主要受線圈電阻的影響(和少量因漏感造成的阻尼);當有共模電流流經線圈時,由於共模電流的同向性,會在線圈內產生同向的磁場而增大線圈的感抗,使線圈表現為高阻抗,產生較強的阻尼效果,以此衰減共模電流,達到濾波的目的。事實上,將這個濾波電路一端接干擾源,另一端接被干擾設備,則La和C1,Lb和C2就構成兩組低通濾波器,可以使線路上的共模EMI信號被控制在很低的電平上。該電路既可以抑制外部的EMI信號傳入,又可以衰減線路自身工作時產生的EMI信號,能有效地降低EMI干擾強度。

漏感和差模電感
對理想的電感模型而言,當線圈繞完后,所有磁通都集中在線圈的中心內。但通常情況下環形線圈不會繞滿一周,或繞制不緊密,這樣會引起磁通的泄漏。共模電感有兩個繞組,其間有相當大的間隙,這樣就會產生磁通泄漏,並形成差模電感。因此,共模電感一般也具有一定的差模干擾衰減能力。在濾波器的設計中,我們也可以利用漏感。如在普通的濾波器中,僅安裝一個共模電感,利用共模電感的漏感產生適量的差模電感,起到對差模電流的抑制作用。有時,還要人為增加共模扼流圈的漏電感,提高差模電感量,以達到更好的濾波效果。在一些主板上,能看到共模電感,但是在大多數主板上,都會發現省略了該元件,甚至有的連位置也沒有預留。不可否認,共模電感對主板高速介面的共模干擾有很好的抑制作用,能有效避免EMI通過線纜形成電磁輻射影響其餘外設的正常工作和我們的身體健康。但同時也需要指出,板卡的防EMI設計是一個相當龐大和系統化的工程,採用共模電感的設計只是其中的一個小部分。高速介面處有共模電感設計的板卡,不見得整體防EMI設計就優秀。所以,從共模濾波電路我們只能看到板卡設計的一個方面,這一點容易被大家忽略,犯下見木不見林的錯誤。只有了解了板卡整體的防EMI設計,我們才可以評價板卡的優劣。

4 共模電感 -共模扼流圈

共模電感共模電感實物展示
濾波器設計時,假定共模與差模這兩部分是彼此獨立的。然而,這兩部分並非真正獨立,因為共模扼流圈可以提供相當大的差模電感。這部分差模電感可由分立的差模電感來模擬。為了利用差模電感,在濾波器的設計過程中,共模與差模不應同時進行,而應該按照一定的順序來做。首先,應該測量共模雜訊並將其濾除掉。採用差模抑制網路(Differential Mode Rejection Network),可以將差模成分消除,因此就可以直接測量共模雜訊了。如果設計的共模濾波器要同時使差模雜訊不超過允許範圍,那麼就應測量共模與差模的混合雜訊。因為已知共模成分在雜訊容限以下,因此超標的僅是差模成分,可用共模濾波器的差模漏感來衰減。對於低功率電源系統,共模扼流圈的差模電感足以解決差模輻射問題,因為差模輻射的源阻抗較小,因此只有極少量的電感是有效的。 儘管少量的差模電感非常有用,但太大的差模電感可以使扼流圈發生磁飽和。可根據公式(2)作簡單計算來避免磁飽和現象的發生。

用LISN原理測量共模扼流圈飽和特性的方法 
測量共模線圈磁芯(整體或部分)的飽和特性通常是很困難的。通過簡單的試驗可以看出共模濾波器的衰減在多大程度上受由60Hz編置電流引起的電感減小量的影響。進行此項測試需要一台示波器和一個差模抑制網路(DMRN)。首先,用示波器來監測線電壓。按如下方法從示波器的A通道輸入信號,將示波器的時間基準置為2ms/div,然後將觸發信號加在A通道上,在交流電壓達到峰值時會有線電流產生,此時濾波器效能的降級是意料中的事情。差模抑制網路(DMRN)的輸入端連接到LISN,輸出端用50的阻抗進行匹配且與示波器的B通道相連。當共模扼流圈工作在線性區時,在輸入電流波動期間,B通道監測到的發射增加值不超過6—10dB。為此測試在示波器上顯示的結果,上面的曲線為共模發射;下面的曲線為線電壓。在線電壓峰值期間,橋式整流器正嚮導通且傳送充電電流。

共模電感示波器上顯示的由於60Hz充電電流引起的共模扼流圈的降級

 

示波器上顯示的由於60Hz充電電流引起的共模扼流圈的降級
如果共模扼流圈達到飽和,那麼在輸入浪涌增加時,發射將會增加。如果共模扼流圈達到強飽和,發射強度與不加濾波器時的情況是一樣的,也就是說很容易達到40dB以上。這些實驗數據可用其他方法來解釋。發射最小值(線電流為0的時候)是濾波器無偏置電流時表現出來的效果。峰值發射與最小發射的比率,即降級因子,用來衡量線電流偏移量對濾波器實際效果的影響。降級因子較大表明共模扼流圈磁芯完全沒有得到恰當的使用,較好的濾波器的「固有降級因子」差不多在2—4之間。它是由兩種現象產生的:第一,60Hz充電電流引起的電感減小(如上所述);第二,橋式整流器的正向及反嚮導通。共模發射的等效電路由一個阻抗約為200pF的電壓源、二極體阻抗和LISN的共模阻抗組成,如圖2所示。當橋式整流器正向偏置時,在源阻抗、25和LISN共模阻抗之間會產生分壓現象。當橋整流器反向偏置時,在源阻抗、整流橋反偏電容、LISN之間產生分壓現象。當二極體整流橋反向偏置電容較小時,對共模濾除有一定效果。當整流橋正向偏置時則對共模濾除沒有影響。

共模電感共模電感
共模輻射等效電路
由於產生了分壓,固有降級因子的預期值為2左右。實際值的變化相當大,主要取決於源阻抗和二極體整流橋反向偏置電容的實際大小。在Flugan發明的一個電路中,正是應用這個原理來減小鎮流器的傳導發射的。用電流原理測量共模扼流圈飽和特性的方法。如果測試人員相當謹慎,那麼就可以採取類似MIL-STD-461中的測試裝置來檢測共模扼流圈的飽和特性。這個原理的應用如下:測試時採用兩隻電流探頭,低頻探頭監測線電流,高頻探頭僅測量共模發射電流。線電流監視器作為觸發源。不過,使用電流探頭的一個隱患是差模電流衰減是管芯內繞組導線對稱性的函數。如果精心合理安排繞線布局的話,30dB左右的差模電流衰減是能夠得到的。即使達到這個衰減值,測得的差模分量也可能超過預期的共模分量值。可用如下兩項技術來解決這一問題:第一,將一隻6kHz轉折頻率的高階高通濾波器與示波器串聯(注意應用50的終端阻抗進行匹配)。第二,在每隻10μF的電容與電源匯流排之間接入一根導線。為了測量共模輻射,電流探頭應夾在這些載有極小線電流的導線近旁。
共模電感共模電感
共模扼流圈內存在的差模與共模磁通
為了快速且淺顯地介紹共模扼流圈的作用,可考慮採用以下論述:「共模扼流圈管芯兩側的磁場相互抵消,因此不存在磁通使管芯飽和。」儘管這種論述對共模扼流圈作用的直覺敘述具體化了,但實質上並非如此。
參考以下圍繞麥克斯韋方程所進行的討論:
1、假設電流密度J產生磁場H,那麼就可得出結論:附近的另一個電流不會抵消或阻止磁場或者是由此而產生的電場。
2、同樣一個相鄰的電流可以導致磁場路徑的改變。
3、在環形共模電感的特殊場合中,每條引線中的差模電流密度可假定是相等的,且方向相反。所以由此而產生的磁場必定在環形磁芯周邊上的總和為0,而在其外部則不為0。
磁芯的作用就好像它在線圈繞組的間隙處裂為兩半時所表現出來的效果一樣。每個繞組在環形線圈一半的區域內產生磁場,意指穿過空氣的磁場必定會形成自封閉迴路,圖3是環形磁芯和差模電流磁路的示意圖。 

5 共模電感 -漏感簡述

漏感的重要性
緊密繞制,且繞滿一周的環形線圈,即使沒有磁芯,其所有磁通都集中在線圈「芯」內。但是,如果環形線圈沒有繞滿一周,或者繞制不緊密,那麼磁通就會從芯中泄漏出來。這種效應與線匝間的相對距離和螺旋管芯體的磁導率成正比。共模扼流圈有兩個繞組,這兩個繞組被設計成使它們所流過的電流沿線圈芯傳導時方向相反,從而使磁場為0。如果為了安全起見,芯體上的線圈不是雙線繞制,這樣兩個繞組之間就有相當大的間隙,自然就引起磁通「泄漏」,這即是說,磁場在所關心的各個點上並非真正為0。共模扼流圈的漏感是差模電感。事實上,與差模有關的磁通必須在某點上離開芯體,換句話說,磁通在芯體外部形成閉合迴路,而不僅僅只局限在環形芯體內。如果芯體具有差模電感,那麼,差模電流就會使芯體內的磁通發生偏離零點,如果偏離太大,芯體便會發生磁飽和現象,使共模電感基本與無磁芯的電感一樣。結果,共模輻射的強度就如同電路中沒有扼流圈一樣。差模電流在共模環形線圈中引起的磁通偏離可由下式得出:

共模電感共模電感

式中,是芯體中的磁通變化量,Ldm是測得的差模電感,是差模峰值電流,n為共模線圈的匝數。由於可以通過控制B總,使之小於B飽和,從而防止芯體發生磁飽和現象,有以下法則:

共模電感共模電感


 

式中,是差模峰值電流,Bmax是磁通量的最大偏離,n是線圈的匝數,A是環形線圈的橫截面積。Ldm是線圈的差模電感。共模扼流圈的差模電感可以按如下方法測得:將其一引腿兩端短接,然後測量另外兩腿間的電感,其示值即為共模扼流圈的差模電感。共模扼流圈能發揮一定的作用是由於μcm比μdm大好幾個數量級的緣故,因為共模電流通常很小,可以通過使L/D保持在較低值來獲得更小的μdm。為了得到共模電感,同時又要使差模電感最小,最好是採用橫截面積較大的磁芯繞製成多匝線圈。採用較大的螺旋管磁芯,也並非一定要這樣的磁芯,可在共模扼流圈內併入有效的差模電感。因為差模磁通是遠離磁芯(環形結構)的,因此可能會產生極強的輻射。尤其是濾波器安裝在PCB板上的情況下,這種輻射可以耦合到電源線,使傳導發射增強。當磁性材料被帶到場內時(例如,環形磁芯放置在鐵殼裡),差模磁導率就可能會顯著地增加,從而由於差模電流而導致磁芯的飽和。

無輻射共模扼流圈結構  為了實現有效的濾波器設計,磁通離開磁芯引起的輻射問題必須予以解決。其辦法有是將差模磁通限制在磁性結構物體中(壺形鐵芯),或者是為差模磁通(E形鐵芯)提供一條高磁導率的路徑。

壺形鐵芯結構如果共模扼流圈採用壺形鐵芯結構,那麼就需兩個繞軸。示意出了壺形鐵芯窗格里的兩組線圈及其產生的磁通路徑。同時也表明了同一結構條件下的差模磁通路徑。

共模電感共模壺形鐵芯電感中的磁路

 

共模壺形鐵芯電感中的磁路注意第一組,所有的磁通均在鐵芯內部。正是由於這種結構,從鐵芯外表面到其中心垂直隔板間的空氣隙長度決定了純磁阻的大小。使用磁導率大於10的墊圈后,就可以通過改變墊圈(其值等於空氣隙長度)內外半徑的大小來控制純磁阻。壺形鐵芯的差模電感、共模扼流圈可按如下公式計算:

共模電感壺形鐵芯的差模電感、共模扼流圈計算方法

 

壺形鐵芯計算差模電感時的具體尺寸  減小差模路徑上的磁阻將使差模電感增加。使用這種共模扼流圈的最顯著的優點就在於壺形鐵芯具有固有的「自屏蔽」特性。

共模電感壺形鐵芯計算差模電感時的具體尺寸

 

E形鐵芯結構  有一種共模扼流圈,它比環形磁芯線圈更易繞制,但比壺形鐵芯線圈的輻射更厲害,E形鐵芯線圈。共模磁通將外部引線上的兩組線圈都聯繫在一起了。為了獲得較高的磁導率,在外部引線上應沒有空氣隙。另一方面,差模磁通將外部引線和中心引線聯繫起來。差模路徑中的磁導率可以通過使中心引線彼此隔開來取得,中心引線是產生輻射的主要區域。

6 共模電感 -產品設計

共模電感共模電感在計算機中的應用
主板Layout(布線)設計
對優秀的主板布線設計而言,時鐘走線大多會採用屏蔽措施或者靠近地線以降低EMI。對多層PCB設計,在相鄰的PCB走線層會採用開環原則,導線從一層到另一層,在設計上就會避免導線形成環狀。如果走線構成閉環,就起到了天線的作用,會增強EMI輻射強度。信號線的不等長同樣會造成兩條線路阻抗不平衡而形成共模干擾,因此,在板卡設計中都會將信號線以蛇形線方式處理使其阻抗儘可能的一致,減弱共模干擾。同時,蛇形線在布線時也會最大限度地減小彎曲的擺幅,以減小環形區域的面積,從而降低輻射強度。在高速PCB設計中,走線的長度一般都不會是時鐘信號波長1/4的整數倍,否則會產生諧振,產生嚴重的EMI輻射。同時走線要保證迴流路徑最小而且通暢。對去耦電容的設計來說,其設置要靠近電源管腳,並且電容的電源走線和地線所包圍的面積要儘可能地小,這樣才能減小電源的波紋和雜訊,降低EMI輻射。當然,上述只是PCB防EMI設計中的一小部分原則。主板的Layout設計是一門非常複雜而精深的學問,甚至很多DIYer都有這樣的共識:Layout設計得優秀與否,對主板的整體性能有著極為重大的影響。

主板布線的划斷

共模電感共模電感
如果想將主板電路間的電磁干擾完全隔離,這是絕對不可能的,因為我們沒有辦法將電磁干擾一個個地「包」起來,因此要採用其他辦法來降低干擾的程度。主板PCB中的金屬導線是傳遞干擾電流的罪魁禍首,它像天線一樣傳遞和發射著電磁干擾信號,因此在合適的地方「截斷」這些「天線」是有用的防EMI的方法。「天線」斷了,再以一圈絕緣體將其包圍,它對外界的干擾自然就會大大減小。如果在斷開處使用濾波電容還可以更進一步降低電磁輻射泄露。這種設計能明顯地增加高頻工作時的穩定性和防止EMI輻射的產生,許多大的主板廠商在設計上都使用了該方法。「斷開」的設計用來阻止電磁干擾借這些介面向外傳送形成電磁輻射,電路板上的亮線清晰可見。尤其是USB介面部分採用該設計后,可在很大程度上大大改善EMI電流向外輻射的可能。

主板介面的設計
不知大家是否注意到,現在的主板都會附送一塊開口的薄鐵擋片,其實這也是用來防EMI的。雖然現在的機箱EMI屏蔽性能都不錯,但電磁波還是會從機箱表面的開孔處泄漏出來,如PS/2介面、USB介面以及並、串口等的開口處。孔的大小決定了電磁干擾的泄露程度。開口的孔徑越小,電磁干擾輻射的削弱程度越大。對方形孔而言,L就是其對角線長度。使用了擋片之後,擋片上翹起的金屬觸片會和主板上的輸入輸出部分很好地通過機箱接地,不

共模電感共模電感--可調電感
但衰減了EMI,而且減小了方孔的尺寸,進一步縮小L值,從而可以更有效地屏蔽電磁干擾輻射。上述三點只是主板設計中除電路設計之外的幾個主要防EMI設計,由此可見,主板的防EMI設計是一個整體的概念,如果整體的設計不合格,就會帶來較大的電磁輻射,而這些也不是一個小小的共模電感所能彌補的。國家現在的EMI相關規範並不健全,部分廠商為了省料就鑽了這個空子,在整體防EMI性能上都大肆省料壓縮成本(其中就包括共模電感的省略),這樣做的直接後果就是主板防EMI性能極其低下;但是對於那些整體設計優秀,用料不縮水的主板,即使沒有共模電感,其整體防EMI性能仍能達到相關要求,這樣的產品仍然是合格的。因此,單純就是否有共模電感這一點來判斷主板的優劣。

共模電感的測量與診斷
電源濾波器的設計通常可從共模和差模兩方面來考慮。共模濾波器最重要的部分就是共模扼流圈,與差模扼流圈相比,共模扼流圈的一個顯著優點在於它的電感值極高,而且體積又小,設計共模扼流圈時要考慮的一個重要問題是它的漏感,也就是差模電感。通常,計算漏感的辦法是假定它為共模電感的1%,實際上漏感為共模電感的 0.5% ~ 4%之間。在設計最優性能的扼流圈時,這個誤差的影響可能是不容忽視的。

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