共模電感設(shè)計(jì)方案

　　近年來(lái)，由于政府機(jī)構(gòu)或其他團(tuán)宥訣MC（電磁兼容）日益重視，工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)亦是非常注意產(chǎn)品的輻射問(wèn)題。特別值得一提的是：直流變換器很高的開(kāi)關(guān)頻率及尖峰脈沖斜波就是一典型的EMI（電磁干擾）。

　　共模電感就是一個(gè)重要的抗電磁干擾零件，它可以在一寬頻條件下提供非常高的阻抗。大多數(shù)EMI濾波器主要部件就是一共模電感。在此文中，主要介紹共模電感的設(shè)計(jì)及磁芯選材問(wèn)題。

　　2.基本的共模

　　開(kāi)關(guān)電源有兩種噪聲：一為共模，另一為差模。與輸入信號(hào)的路徑相同的噪聲稱之為差模噪聲，而每相相同的從接地到輸出的尖峰信號(hào)稱之為共模噪聲。（詳見(jiàn)圖1A和1B）

　　一典型抗電磁干擾濾波器包含共模電感，差模電感及X，Y電容。Y電容和共模電感使共模噪聲衰減。在高頻噪聲時(shí)，電感呈現(xiàn)高阻抗特性，并且反射和吸收噪聲。然而電容呈低阻抗（至接地）且改變主線的噪聲方向。（見(jiàn)圖2）

　　共模電感兩繞組圈數(shù)是相同的，產(chǎn)生兩大小相等方向相反的磁通量。此兩磁通相互抵消。因此使磁芯處于無(wú)偏磁狀態(tài)。差模電感只有一個(gè)繞組，需要磁芯提供一完全無(wú)飽和線性電流。此與共模電感有較大的不同。為防止磁飽和，差模電感必須使用一低的有效磁導(dǎo)率的磁芯（有氣隙的鐵氧體或鐵粉磁芯）。然而，共模電感可以使用一較高的磁導(dǎo)率磁芯且在磁芯相對(duì)小的條件下可得到一比較高的電感。

　　3.磁芯選材

　　首先，噪聲是由開(kāi)關(guān)電源的單位基頻所產(chǎn)生的，再加上高頻諧波。也就是表示噪聲在10KHz到50MHz范圍內(nèi)都會(huì)存在。為此，電感必須有更寬的頻率范圍內(nèi)存在高阻抗特性。共模電感的總阻抗由兩部分組成：串聯(lián)感抗（Xs）和串聯(lián)電阻（Rs）。在低頻時(shí)，阻抗呈感抗特性。但隨著頻率的增加，有效磁導(dǎo)率下降，感抗亦在下降。（見(jiàn)圖3）由串聯(lián)感抗（Xs）和串聯(lián)電阻（Rs）的相互作用，在整個(gè)頻寬內(nèi)產(chǎn)生一可接受的阻抗（Zs）。

　　對(duì)于大多數(shù)產(chǎn)品來(lái)講，共模電感的磁芯都選用鐵氧體（鎳鋅系和錳鋅系）。鎳鋅系磁芯的特點(diǎn)是具有較低的初磁導(dǎo)率，但在非常高的頻率（大于100MHz）時(shí)，仍能保持初磁導(dǎo)率。而錳鋅系則恰恰相反，其具有很高的初磁導(dǎo)率，但在頻率很低（20KHz）時(shí)，磁導(dǎo)率可能會(huì)衰減。由于鎳鋅系磁芯有很低的初磁導(dǎo)率，所以在低頻時(shí)，不可產(chǎn)生高阻抗特性。然而錳鋅系磁芯在低頻時(shí)，能提供非常高的阻抗特性，且非常適用于10KHz到50MHz的抗電磁干擾。基于此，本文只集中討論錳鋅系磁芯。

　　錳鋅系磁芯有很多種形狀：環(huán)形，E形，罐形，RM形及EP形等等。但對(duì)于大多數(shù)共模電感都是使用環(huán)形磁芯。主要是有以下兩種好處：

　　第一：環(huán)形磁芯比較便宜。因?yàn)榄h(huán)形只有一個(gè)就可制作，而其他形狀的磁芯必須有一對(duì)才能構(gòu)成共模電感所需，且在成型時(shí)，因考慮兩磁芯的配對(duì)問(wèn)題，還須增加研磨工序（如鏡面磁芯）才能得到較高的磁導(dǎo)率。對(duì)于環(huán)形磁芯卻不需如此。

　　第二：與其它形狀磁芯相比環(huán)形磁芯有較高的有效磁導(dǎo)率。因?yàn)閮膳鋵?duì)磁芯在裝配時(shí)，無(wú)論怎樣作業(yè)都不可消除氣隙的現(xiàn)象，故有效磁導(dǎo)率比只有單一封閉形磁芯要低。

　　環(huán)形磁芯有一缺點(diǎn)：繞線成本較高。因其他形狀磁芯有一配套線架在使用，繞線都可以機(jī)器作業(yè)，而環(huán)形磁芯只可以手工作業(yè)或機(jī)器（速度較低）作業(yè)。但通常情況下，共模電感圈數(shù)較少（小于30圈），故繞線成本比較少。

　　基于上述原因，下面的共模電感都是對(duì)使用環(huán)形磁芯的敘述。

　　4.設(shè)計(jì)考慮

　　共模電感設(shè)計(jì)所需的基本參數(shù)為：輸入電流，阻抗及頻率。輸入電流決定了繞組所需的線徑。在計(jì)算線徑時(shí)，電流密度通常取值為400A/cm3。但此取值須隨電感溫升的變化。通常情況下，繞組使用單根導(dǎo)線作業(yè)，這樣可削減高頻噪聲及趨膚效應(yīng)損失。

　　共模電感的阻抗在所給的頻率條件一般規(guī)定為最小值。串聯(lián)的線性阻抗可提供一般要求的噪聲衰減。但很不幸，線性阻抗有相當(dāng)少的人知道，因此設(shè)計(jì)人員經(jīng)常以50W線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)儀來(lái)測(cè)試共模電感，并漸漸成為一種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試共模電感性能的方法。但所得的結(jié)果與實(shí)際通常有相當(dāng)大的差別。實(shí)際上，共模電感在正常時(shí)角頻首先會(huì)產(chǎn)生每八音度增加-6dB衰減（角頻是共模電感產(chǎn)生-3dB）的頻率此角頻通常很低，以便感抗能夠提供阻抗。故電感可以用下式來(lái)表達(dá)：

　　Ls=Xx/2πf （1）

　　電感大家都知道，但值得一提的是，設(shè)計(jì)時(shí)須注意磁芯，磁芯材質(zhì)及所需的圈數(shù)。首先，設(shè)計(jì)第一步是磁芯型號(hào)的選取，如果有規(guī)定電感空間，我們就按此空間來(lái)選取合適的磁芯型號(hào)，如沒(méi)有規(guī)定，通常磁芯型號(hào)的隨意選取；

　　第二步是計(jì)算磁芯所能繞最大圈數(shù)。共模電感有兩繞組，一般為單層，且每繞組分布在磁芯的每一邊，兩繞組中間須隔開(kāi)一定的距離。雙層及堆積繞組亦有偶爾使用，但此種作法會(huì)提高繞組的分布電容及降低電感的高頻性能。由于銅線的線徑已由線性電流的大小所決定，內(nèi)圓周長(zhǎng)可以由磁芯的內(nèi)圓半徑減去銅線半徑計(jì)算得來(lái)。故最大圈數(shù)的就可以銅線加絕緣的線徑及每個(gè)繞組所占據(jù)的圓周來(lái)計(jì)算。

　　5.設(shè)計(jì)案例

　　要求：在工作頻率為10KHz，輸入線性電流為3A（RMS）時(shí)，阻抗為100 歐的共模電感。

　　1）選取線徑

　　銅線截面積=3A/400A/cm2=0.0075cm2

　　銅線線徑=2

　　=0.98mm

　　取銅線線為1.0mm

　　2）計(jì)算最小電感值

　　3）假如無(wú)指定空間，任取一磁芯

　　內(nèi)徑（ID）=13.72+/-0.38=13.34mm MIN

　　4）計(jì)算內(nèi)圓周長(zhǎng)和最大可繞圈數(shù)

　　內(nèi)圓周長(zhǎng)=3.14×（13.34-1.08）=38.5mm

　　最大圈數(shù)=（160/360）×38.5/1.08=15.8TS或16TS

　　5）計(jì)算磁芯的AL值，并選取材質(zhì)

　　磁芯的AL最小值=1.59/162=6211nH/TS2MIN

　　因此種磁芯AL值變化范圍一般為+/-30%故磁芯的AL值取9000nH/TS2，以上述條件，即可選取一合適磁芯。

　　6.總結(jié)

　　共模電感的設(shè)計(jì)看起來(lái)十分簡(jiǎn)單，但實(shí)際上，它還有點(diǎn)復(fù)雜。為了防止磁芯飽和時(shí)，必須考慮溫度及應(yīng)力等等因素。但如果對(duì)磁芯材料特性比較了解，此問(wèn)題就不難解決。此文只是介紹了共模電感基本的設(shè)計(jì)方法，希望對(duì)大家有一定的幫助并能提供其它的參考意見(jiàn)！

　　零歐電阻、磁珠、電感有何區(qū)別

　　電感是儲(chǔ)能元件，多用于電源濾波回路、LC振蕩電路、中低頻的濾波電路等，其應(yīng)用頻率范圍很少超過(guò)50MHz。對(duì)電感而言，它的感抗是和頻率成正比的。這可以由公式：XL = 2πfL 來(lái)說(shuō)明，其中XL是感抗（單位是Ω）。例如：一個(gè)理想的10mH電感，在10 kHz時(shí)，感抗是628Ω；在100 MHz時(shí)，增加到6.2MΩ。因此在100MHz 時(shí)，此電感可以視為開(kāi)路（open circuit）。在100MHz時(shí)，若讓一個(gè)訊號(hào)通過(guò)此電感，將會(huì)造成此訊號(hào)品質(zhì)的下降。

　　磁珠（ferrite bead）的材料是鐵鎂或鐵鎳合金，這些材料具有有很高的電阻率和磁導(dǎo)率，在高頻率和高阻抗下，電感內(nèi)線圈之間的電容值會(huì)最小。磁珠通常只適用于高頻電路，因?yàn)樵诘皖l時(shí)，它們基本上是保有電感的完整特性（包含有電阻和抗性分量），因此會(huì)造成線路上的些微損失。而在高頻時(shí)，它基本上只具有抗性分量（jωL），并且抗性分量會(huì)隨著頻率上升而增加。象一些RF 電路，PLL，振蕩電路，含超高頻存儲(chǔ)器電路（DDR，SDRAM，RAMBUS 等）都需要在電源輸入部分加磁珠。實(shí)際上，磁珠是射頻能量的高頻衰減器。其實(shí)，可以將磁珠視為一個(gè)電阻并聯(lián)一個(gè)電感。在低頻時(shí)，電阻被電感「短路」，電流流往電感；在高頻時(shí)，電感的高感抗迫使電流流向電阻。本質(zhì)上，磁珠是一種「耗散裝置（dissipative device）」，它會(huì)將高頻能量轉(zhuǎn)換成熱能。因此，在效能上，它只能被當(dāng)成電阻來(lái)解釋，而不是電感。

　　零歐電阻的作用如下：

　　1，在電路中沒(méi)有任何功能，只是在PCB 上為了調(diào)試方便或兼容設(shè)計(jì)等原因。

　　2，可以做跳線用，如果某段線路不用，直接補(bǔ)貼該電阻即可（不影響外觀）

　　3，在匹配電路參數(shù)不確定的時(shí)候，以0ohm代替，實(shí)際調(diào)試的時(shí)候，確定參數(shù)，再以具體數(shù)值的元件代替。

　　4，想測(cè)某部分電路的耗電流的時(shí)候，可以去掉0ohm電阻，接上電流表，這樣方便測(cè)耗電流。

　　5，在布線時(shí)，如果實(shí)在布不過(guò)去了，也可以加一個(gè)0ohm的電阻

　　6，在高頻信號(hào)下，充當(dāng)電感或電容。（與外部電路特性有關(guān)）電感用，主要

　　是解決EMC問(wèn)題。（如地與地，電源和IC Pin 間）

　　7，單點(diǎn)接地（指保護(hù)接地、工作接地、直流接地在設(shè)備上相互分開(kāi)，各自成為獨(dú)立系統(tǒng)。）

　　8，熔絲作用

　　①模擬地和數(shù)字地單點(diǎn)接地

　　只要是地，最終都要接到一起，然后入大地。如果不接在一起就是浮地，存在壓差，容易積累電荷，造成靜電。地是參考0電位，所有電壓都是參考地得出的，地的標(biāo)準(zhǔn)要一致，故各種地應(yīng)短接在一起。人們認(rèn)為大地能夠吸收所有電荷，始終維持穩(wěn)定，是最終的地考點(diǎn)。雖然有些板子沒(méi)有接大地，但發(fā)電廠是接大地的，板子上的電源最終還是會(huì)返回發(fā)電廠入地。如果把模擬地和數(shù)字地大

　　面積直接相連，會(huì)導(dǎo)致互相干擾。不短接又不妥，理由如上有四種方法解決此問(wèn)題：

　　1、用磁珠連接；磁珠的等效電路相當(dāng)于帶阻限波器，只對(duì)某個(gè)頻點(diǎn)的噪聲有顯著抑制作用，使用時(shí)需要預(yù)先估計(jì)噪點(diǎn)頻率，以便選用適當(dāng)型號(hào)。對(duì)于頻率不確定或無(wú)法預(yù)知的情況，磁珠不合。

　　2、用電容連接； 電容隔直通交，易造成浮地。

　　3、用電感連接； 電感體積大，雜散參數(shù)多，不穩(wěn)定。

　　4、用0 歐姆電阻連接； 0 歐電阻相當(dāng)于很窄的電流通路，能夠有效地限制環(huán)路電流，使噪聲得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用（0 歐電阻也有阻抗），這點(diǎn)比磁珠強(qiáng)。

　　②跨接時(shí)用于電流回路

　　當(dāng)分割電地平面后，造成信號(hào)最短回流路徑斷裂，此時(shí)，信號(hào)回路不得不繞道，形成很大的環(huán)路面積，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響就變強(qiáng)了，容易干擾被干擾。在分割區(qū)上跨接0 歐電阻，可以提供較短的回流路徑，減小干擾。

　　③配置電路

　　一般，產(chǎn)品上不要出現(xiàn)跳線和撥碼開(kāi)關(guān)。有時(shí)用戶會(huì)亂動(dòng)設(shè)置，易引起誤會(huì)，為了減少維護(hù)費(fèi)用，應(yīng)用0 歐電阻代替跳線等焊在板子上。空置跳線在高頻時(shí)相當(dāng)于天線，用貼片電阻效果好。

　　④其他用途：

　　A、布線時(shí)跨線 B、調(diào)試測(cè)試用 C、臨時(shí)取代其他貼片器件 D、作為溫度補(bǔ)

　　償器件更多時(shí)候是出于EMC 對(duì)策的需要。另外，0 歐姆電阻比過(guò)孔的寄生電感小，而且過(guò)孔還會(huì)影響地平面（因?yàn)橐诳祝?/p>

　　①做為跳線使用。這樣既美觀，安裝也方便。

　　②在數(shù)字和模擬等混合電路中，往往要求兩個(gè)地分開(kāi)，并且單點(diǎn)連接。我們可以用一個(gè)0歐的電阻來(lái)連接這兩個(gè)地，而不是直接連在一起。這樣做的好處就是，地線被分成了兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，在大面積鋪銅等處理時(shí)，就會(huì)方便得多。附帶提示一下，這樣的場(chǎng)合，有時(shí)也會(huì)用電感或者磁珠等來(lái)連接。

　　③做保險(xiǎn)絲用。由于PCB上走線的熔斷電流較大，如果發(fā)生短路過(guò)流等故障時(shí)，很難熔斷，可能會(huì)帶來(lái)更大的事故。由于0歐電阻電流承受能力比較弱（其實(shí)0歐電阻也是有一定的電阻的，只是很小而已），過(guò)流時(shí)就先將0歐電阻熔斷了，從而將電路斷開(kāi)，防止了更大事故的發(fā)生。有時(shí)也會(huì)用一些阻值為零點(diǎn)幾或者幾歐的小電阻來(lái)做保險(xiǎn)絲。不過(guò)不太推薦這樣來(lái)用，但有些廠商為了節(jié)約成本，就用此將就了。

　　④為調(diào)試預(yù)留的位置。可以根據(jù)需要，決定是否安裝，或者其它的值。有時(shí)也會(huì)用*來(lái)標(biāo)注，表示由調(diào)試時(shí)決定。

　　⑤作為配置電路使用。這個(gè)作用跟跳線或者撥碼開(kāi)關(guān)類似，但是通過(guò)焊接固定上去的，這樣就避免了普通用戶隨意修改配置。通過(guò)安裝不同位置的電阻，就可以更改電路的功能或者設(shè)置地址。

　　0歐的電阻的規(guī)格，一般是按功率來(lái)分，如1/8瓦，1/4瓦等等。