镍锌铁氧体 深入解析共模电感原理，提升系统 EMC 性能

镍锌铁氧体 深入解析共模电感原理，提升系统 EMC 性能

01

【共模电感原理】

在介绍共模电感之前，我们先来介绍一下扼流圈。扼流圈是用来降低电路中高频电流的低阻抗线圈。为了增加其电感量，扼流圈通常有一个由软磁材料制成的磁芯。共模扼流圈有多个相同的线圈，线圈中的电流以相反的方向流动，因此扼流圈磁芯中的磁场相互抵消。共模扼流圈通常用于抑制干扰辐射，因为这种干扰电流以不同的方向在线圈中流动，改善了系统的EMC。对于这样的电流，共模扼流圈的电感量非常高。共模电感的电路图如图1所示。

共模信号与差模信号只是相对量，共模信号又叫共模噪声或者地噪声，是指两根线对地的噪声，对于开关电源的输入滤波器来说，就是零线和火线接地，零线和火线虽然不直接接地，但是零线和火线可以通过电路板上的寄生电容或者杂散电容或者寄生电感接地。差模信号是指两根线之间直接的信号差，也可以叫TV差。

假设有两个信号 V1 和 V2

共模信号为（V1+V2）/2

差分信号为：对于V1为（V1-V2）/2；对于V2为-（V1-V2）/2

共模信号的特点：幅度相等、相位相等的信号。

差模信号的特点：幅度相等，相位相反的信号。

图2为差模信号与共模信号的示意图。

图2 差模信号与共模信号示意图

02

【差模噪声和共模噪声的主要来源】

对于开关电源来说，如果整流桥后的储能滤波电容是一个理想电容，即等效串联电阻为零（忽略所有电容寄生参数），那么输入到电源的所有可能的差模噪声源都会被这个电容完全旁路或去耦，但是大容量电容的等效串联电阻不为零。所以从差模噪声发生器看，输入电容的等效串联电阻是阻抗Zdm的主要部分。除了从电源线流过的工作电流外，还必须提供开关管所需的高频脉冲电流。但无论如何，流过电阻的电流必然会产生压降，如电容的等效串联电阻，所以在输入滤波电容两端就会有压降，出现高频电压纹波。高频高压纹波来自于差模电流，它基本上是一个电压源（由等效串联电阻引起）。理论上，当整流桥导通时，高频纹波噪声应该只出现在桥式整流器的输入侧，而实际上，当桥式整流器关闭时，噪声会通过桥式整流二极管的寄生电容泄漏出去。

高频电流流入机箱的偶然路径有很多，当开关电源中主开关管的漏极变高或变低时，电流流过开关管与散热器（散热器与外壳或散热片相连）之间的寄生电容。当交流电网电流使整流桥保持导通时，注入机箱的噪声遇到几乎相等的阻抗，因此它会平等地流入零线和火线。因此，这是纯共模噪声。

03

【共模电感是如何抑制共模信号的】

现在知道共模信号就是两个幅度相等、相位相同的信号，共模信号一般来自于电网，共模信号会影响电路板的正常工作，也会以电磁波的形式对周围环境造成干扰。

既然电感是用来抑制共模信号的，那肯定是和磁场有关的，首先我们来介绍一下通电螺旋电感产生的磁场的方向（对于项目应用来说，有些场合，比如抑制共模信号，并不是很需要定量计算电感产生的磁场和磁通量，如果有兴趣的话，这里有一本赵秀科老师推荐的参考书）。判断通电螺线管磁场方向的方法是，用右手握住螺线管，如果手指指向电流方向，大拇指指向磁场方向。接下来我们来介绍一个重要的名词，就是磁通量。垂直通过某一横截面的磁力线总量叫该横截面的磁通量，或者简称磁通量。通电螺线管产生的磁力线是真实存在的，但是看不见、摸不着，磁力线是一个闭合的回路。对于通电的螺线管来说，磁力线必定穿过螺线管内部，磁力线与磁感应强度B成正比，如图3所示，该图为通电螺线管产生的磁力线。

图3 螺线管磁力线

如图4所示，磁通量通过某一横截面

图 4 穿过横截面的磁通量

磁通量用F表示，是一个标量，单位为韦伯，代号Wb。磁通量、磁感应强度B、截面积A三者之间的关系为：

弗朗西斯=巴斯

从关系式可以看出，通过截面的磁力线越多，磁通量越大。对于绕在磁芯上的线圈，当有电流i流过时，该线圈的电感L可表示为：

L=NF/i

N是线圈匝数。

到目前为止，通过上面的简单概述，我们可以知道，当绕在磁芯上的线圈匝数和电流不变时，穿过磁芯的磁力线越多，磁通量就越大，相应的电感量也就越大，电感量也就越大。电感的天然作用就是阻止流过它的电流的变化，其实质就是阻止它的磁通量的变化。这就是利用共模电感抑制共模电流的基本原理。

如图5所示，共模电流在共模电感上产生的磁感应强度为B1，电流I1产生的磁感应强度为B2。两个黄色箭头分别代表电流I1、I2在铁上的磁感应强度。氧化体内产生的磁力线表明，电流I1、I2产生的磁力线是相加性的，所以磁通也是相加性的，电感量也是相加性的，电感量越大，抑制电流的能力越强。

图5 共模电流在共模电感上的磁通分布

共模电感是如何抑制共模电流的，可以用一句话来解释：当共模电流流过共模电感时，磁环内的磁通互相叠加，使其产生相当大的电感量，从而对共模电流起到了抑制作用。

当差模电流流过两个线圈时，由于铁氧体环内磁力线相反，造成磁通互相抵消，几乎没有电感量，因此差模信号几乎可以无衰减地通过（考虑到电感本身具有一定的电感量），所以不仅可以在开关电源的输入滤波器上加共模电感，还可以在差分信号线上加共模电感，来抑制共模电流，防止电路的误触发。

04

【共模电感的选择】

根据共模电感在额定频率下的额定电流、直流电阻及阻抗值要求，可分步骤进行设计：

1 根据阻抗值计算最小电感值

2.选择共模电感磁芯材料和磁芯尺寸

3 确定线圈匝数

4 选择电线

共模电感最小电感值计算公式为：

Xl 是频率 f 时的阻抗值

扼流圈的电感是通过将负载（以欧姆为单位）除以信号开始衰减的角频率来计算的。例如，在 50Ω 负载中，信号在 4000 Hz 或以上开始衰减，因此您需要使用 1.99。mH（50/2π×4000））。相应的共模滤波器结构如下图 6 所示：

选择需要滤波的频段，共模阻抗越大越好，所以选择共模电感的时候需要看器件信息，主要看阻抗-频率曲线来选择。

计算电感量和普通设计电感相同，这里就不再赘述了。

自己绕制电感时，应注意以下事项：

1）绕在线圈铁心上的各导线必须相互绝缘，保证在瞬时过电压作用下，线圈各匝之间不发生击穿或短路。

2）当线圈中流过瞬时大电流时，磁芯不应饱和。

3）线圈内的磁芯与线圈应有绝缘，防止在瞬时过电压作用下，两者之间发生击穿。

4）线圈尽量采用单层绕制，这样可以减小线圈的寄生电容，增强线圈承受瞬态过电压的能力。

选择共模电感磁芯时要考虑其形状尺寸、适用频段、温升、价格等，常用的磁芯有U型、E型、环形等。

相对而言环形磁芯由于只需制作一个环形磁芯，所以价格较便宜。但其它形状的磁芯必须有一对才能用于共模电感，且成型时需考虑两颗磁芯的配对，并需额外的研磨工序，才可获得较高的磁导率，而环形磁芯则不需要这样做；环形磁芯由于两对磁芯的组装方式相同，所以其有效磁导率较其它形状的磁芯高，运行时无法消除气隙现象，因此有效磁导率较单个封闭磁芯低。但环形磁芯的绕线成本较高，因为其它磁芯在使用上自带配套的线架，绕线可用机器完成，而环形磁芯只能手工或机器操作（速度较低）；而且磁环孔径小，机器穿线困难，需人工绕制，费时费力，加工成本高，效率低；安装不方便，如果加底座，成本会增加。从综合性能上讲，磁环性能较好，价格也较高。由于成本因素，大功率电源多采用磁环。当然，由于其体积小，有一定尺寸要求的小电源可以使用磁环磁芯。对于主要作用是滤除低频噪声的共模电感，应选择磁导率高的锰锌铁氧体磁芯；反之，则应选择镍锌铁氧体磁芯或适合高频的磁粉芯。通常适合高频的磁芯都有分布气隙，所以磁导率比较低。两者不能结合起来。但与普通电感不同的是，共模电感的作用是对噪声信号形成较大的插入损耗，以减少噪声干扰，在高频时，虽然锰锌铁氧体的有效磁导率较小，但铁损随频率的增加而增大，对高频噪声有较大的阻断作用，因此也能减少高频干扰，但效果相对较差，不过较大的铁损会导致磁芯发热，损耗较小的磁芯价格也较高。