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  • 一、共模电感原理在介绍共模电感之前先介绍扼流圈,扼流圈是一种用来减弱电路里面高频电流低阻抗线圈。为了提高其电感扼流圈通常有一软磁材料制核心。共模扼流圈有多个同样线圈,电流在这些线圈里反向流,因此...

    一、

    共模电感原理

    在介绍共模电感之前先介绍扼流圈,扼流圈是一种用来减弱电路里面高频

    电流的低阻抗线圈。为了提高其电感扼流圈通常有一软磁材料制的核心。共模

    扼流圈有多个同样的线圈,电流在这些线圈里反向流,因此在扼流圈的芯里磁

    场抵消。共模扼流圈常被用来压抑干扰辐射,因为这样的干扰电流在不同的线

    圈里反向,提高系统的

    EMC

    。对于这样的电流共模扼流圈的电感非常高。共模

    电感的电路图如图

    1

    所示。

    1

    共模电感电路图示

    共模信号和差模信号只是一个相对量,共模信号又称共模噪声或者称对地

    噪声,指两根线分别对地的噪声,对于开关电源的输入滤波器而言,是零线和

    火线分别对大地的电信号。虽然零线和火线都没有直接和大地相连,但是零线

    和火线可以分别通过电路板上的寄生电容或者杂散电容又或者寄生电感等来和

    大地相连。差模信号是指两根线直接的信号差值也可以称之为电视差。

    假设有两个信号

    V1

    V2

    共模信号就为(

    V1+V2

    )

    /2

    差模信号就为:对于

    V1

    (

    V1-V2

    )

    /2

    ;对于

    V2  -

    (

    V1-V2

    )

    /2

    共模信号特点:幅度相等、相位相同的信号。

    差模信号特点:幅度相等、相位相反的信号。

    如图

    2

    所示为差模信号和共模信号的示意图。

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  • 关于共模电感到底应作为电感器归入品目85.04,还是按未列名的电气零件归入品目85.48的争论早已有之,故从依据适用的角度谈谈笔者就此问题的看法。根据第十六类注释二关于机器零件的规定,共模电感在归类时应优先考虑...
    恭贺新禧049284e61f17dcf6a0e6f011fd1d462e.png049284e61f17dcf6a0e6f011fd1d462e.png

    共模电感(Common Mode Choke),亦称共模扼流圈,是一种用于过滤电磁干扰信号的器件。关于共模电感到底应作为电感器归入品目85.04,还是按未列名的电气零件归入品目85.48的争论早已有之,故从依据适用的角度谈谈笔者就此问题的看法。

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    根据第十六类注释二关于机器零件的规定,共模电感在归类时应优先考虑品目85.04,只有在不能归入该品目时,才应考虑品目85.48(注:共模电感一般不专用于或主要用于某一特定的机器或器具)。因此,共模电感的归类困境本质上是认定其是否属于电感器(inductor)的问题。

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    一般认为,由于共模电感为双线并绕,而85.04品目注释将电感器释作:“电感器主要由单个线圈组成。”故结构上包含两个线圈的共模电感不能作为电感器归入品目85.04。然而,“主要由单个线圈组成”不等于仅限于单个线圈,故亦有观点认为双线并绕的共模电感可作为一种特殊的电感器归入品目85.04。

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    由于85.04品目注释关于“电感器”的规定在表意上存在一定歧义,故不妨参考IEC 60050-151:2001国际电工词汇 第151部分:电的和磁的器件或等效国标GB/T 2900.83-2008《电工术语 电的和磁的器件》中关于“电感器(inductor)”的定义:基本上以其电感为特征的两端器件(two-terminal device characterized essentially by its inductance  )”。

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    因共模电感多为四端器件,即不符合行业中对于电感器的定义,故从商品属性的角度认为其不能归入品目85.04的理由是较为充分的。例如,美国海关边境保护局(CBP)就曾于2016年出具了裁定NY N280152,将一款“由两个铜线绕在一个共模芯上形成四端器件”的共模电感归在了品目85.48。

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    ·END·

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  • 共模电感是一种在电子产品中起抗电磁干扰的元件,它能在一定的频率条件下提供高阻抗。常用中的EMI滤波器主要部件就是共模电感。下面介绍一下共模电感使用特性及选材。开关电源中有两种噪声:一为共模,另一为差模。...

    共模电感是一种在电子产品中起抗电磁干扰的元件,它能在一定的频率条件下提供高阻抗。常用中的EMI滤波器主要部件就是共模电感。下面介绍一下共模电感使用特性及选材。

    开关电源中有两种噪声:一为共模,另一为差模。与输入信号的路径相同的噪声称之为差模噪声,而每相相同的从接地到输出的尖峰信号称之为共模噪声。

    一典型抗电磁干扰滤波器包含共模电感,差模电感及X,Y电容。Y电容和共模电感使共模噪声衰减。在高频噪声时,电感呈现高阻抗特性,并且反射和吸收噪声。然而电容呈低阻抗(至接地)且改变主线的噪声方向。

    共模电感两绕组圈数是相同的,产生两大小相等方向相反的磁通量。此两磁通相互抵消。因此使磁芯处于无偏磁状态。差模电感只有一个绕组,需要磁芯提供一完全无饱和线性电流。此与共模电感有较大的不同。为防止磁饱和,差模电感必须使用一低的有效磁导率的磁芯(有气隙的铁氧体或铁粉磁芯)。然而,共模电感可以使用一较高的磁导率磁芯且在磁芯相对小的条件下可得到一比较高的电感。

    共模电感在磁芯选材首先要考虑到噪声,开关电源的单位基频会产生噪声,再加上高频谐波。也就是表示噪声在10KHz到50MHz范围内都会存在。为此,电感必须有更宽的频率范围内存在高阻抗特性。

    共模电感的总阻抗由两部分组成:串联感抗(Xs)和串联电阻(Rs)。在低频时,阻抗呈感抗特性。但随着频率的增加,有效磁导率下降,感抗亦在下降。由串联感抗(Xs)和串联电阻(Rs)的相互作用,在整个频宽内产生一可接受的阻抗(Zs)。  对于大多数产品来讲,共模电感的磁芯都选用铁氧体(镍锌系和锰锌系)。镍锌系磁芯的特点是具有较低的初磁导率,但在非常高的频率(大于100MHz)时,仍能保持初磁导率。而锰锌系则恰恰相反,其具有很高的初磁导率,但在频率很低(20KHz)时,磁导率可能会衰减。由于镍锌系磁芯有很低的初磁导率,所以在低频时,不可产生高阻抗特性。然而锰锌系磁芯在低频时,能提供非常高的阻抗特性,且非常适用于10KHz到50MHz的抗电磁干扰。基于此,本文只集中讨论锰锌系磁芯。  锰锌系磁芯有很多种形状:环形,E形,罐形,RM形及EP形等等。但对于大多数共模电感都是使用环形磁芯。主要是有以下两种好处:

    第一:环形磁芯比较便宜。因为环形只有一个就可制作,而其他形状的磁芯必须有一对才能构成共模电感所需,且在成型时,因考虑两磁芯的配对问题,还须增加研磨工序(如镜面磁芯)才能得到较高的磁导率。对于环形磁芯却不需如此。

    第二:与其它形状磁芯相比环形磁芯有较高的有效磁导率。因为两配对磁芯在装配时,无论怎样作业都不可消除气隙的现象,故有效磁导率比只有单一封闭形磁芯要低。 环形磁芯有一缺点:绕线成本较高。因其他形状磁芯有一配套线架在使用,绕线都可以机器作业,而环形磁芯只可以手工作业或机器(速度较低)作业。但通常情况下,共模电感圈数较少(小于30圈),故绕线成本比较少。  基于上述原因,下面的共模电感都是对使用环形磁芯的叙述。

    共模电感设计所需的基本参数为:输入电流,阻抗及频率。输入电流决定了绕组所需的线径。在计算线径时,电流密度通常取值为400A/cm3。但此取值须随电感温升的变化。通常情况下,绕组使用单根导线作业,这样可削减高频噪声及趋肤效应损失。  共模电感的阻抗在所给的频率条件一般规定为最小值。串联的线性阻抗可提供一般要求的噪声衰减。但很不幸,线性阻抗有相当少的人知道,因此设计人员经常以50W线性阻抗稳定网络仪来测试共模电感,并渐渐成为一种标准测试共模电感性能的方法。但所得的结果与实际通常有相当大的差别。实际上,共模电感在正常时角频首先会产生每八音度增加-6dB衰减(角频是共模电感产生-3dB)的频率此角频通常很低,以便感抗能够提供阻抗。故电感可以用下式来表达:  Ls=Xx/2πf (1)  电感大家都知道,但值得一提的是,设计时须注意磁芯,磁芯材质及所需的圈数。首先,设计第一步是磁芯型号的选取,如果有规定电感空间,我们就按此空间来选取合适的磁芯型号,如没有规定,通常磁芯型号的随意选取;  第二步是计算磁芯所能绕最大圈数。共模电感有两绕组,一般为单层,且每绕组分布在磁芯的每一边,两绕组中间须隔开一定的距离。双层及堆积绕组亦有偶尔使用,但此种作法会提高绕组的分布电容及降低电感的高能。由于铜线的线径已由线性电流的大小所决定,内圆周长可以由磁芯的内圆半径减去铜线半径计算得来。故最大圈数的就可以铜线加绝缘的线径及每个绕组所占据的圆周来计算。

    共模电感的设计看起来十分简单,但实际上,它还有点复杂。为了防止磁芯饱和时,必须考虑温度及应力等等因素。但如果对磁芯材料特性比较了解,此问题就不难解决。因些在使用共模电感时要多考虑一下他的特性及材料。

    文章来源:顺宇电子

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  • 引言理想的共模电感流过对称电流是不会出现饱和,但实际应用的共模电感由于其差模分量存在,在流经较大电流时,仍有可能出现饱和。一、等效模型假设共模电感两绕组对称绕制,当两绕组流过大小相等方向相反...

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    f177461f73340eecfb32f711db96e0d2.pngac1ef61bba38b2a02d2953271ed3bdaf.png引言

    理想的共模电感流过对称的电流是不会出现饱和的,但实际应用的共模电感由于其差模分量的存在,在流经较大的电流时,仍有可能出现饱和。

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    ac1ef61bba38b2a02d2953271ed3bdaf.png一、等效模型

    假设共模电感两绕组对称绕制,当两绕组流过大小相等方向相反的电流时,其磁通如下所示:

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    图 1 共模电感通过差模电流时的磁通示意图

    对于每个绕组而言,它产生的磁通总可以分成两部分:

    1. 没有耦合到邻近绕组的磁通,该磁通流经磁芯(绕组内部)并经空气形成闭环,即漏磁通(差模电感)。

    2. 通过磁芯耦合到邻近绕组的磁通。由于两个绕组所产生的该部分磁通总是大小相等方向相反,因此其总合为0,对自感没有贡献。

    因此,对于差模磁通而言,可以等效为两个棒状电感串联。

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    图 2 共模电感差模分量的等效模型

    从该等效模型我们可以得到:

    • 差模电感Ldm为两个绕组各自的自感;将两绕组同侧短路,对另一侧端口所测量的电感量Ltest为两差模电感之和,即Ltest=2Ldm。

    • 被线圈覆盖部分的磁芯总有磁通流过,且有LdmIdm=NØ。

    • 两绕组产生的自感磁通相互“隔离”。两绕组自感对磁通的贡献不能相互叠加。

    ac1ef61bba38b2a02d2953271ed3bdaf.png二、共模电感差模分量的计算

    1.计算环形空气芯的电感量:

    17a0caaabff0c8ccceeb6f953138e0c9.png

    2.乘以棒状电感(半个磁环)的等效磁导率

    从图1可以看出,差模磁通(漏磁通)并不是完全被束缚在磁芯里面,而是有两部分组成:磁芯里面和磁芯外面。磁路长度为:

    0ad61f11554f01ae05915ec05bfb7fbe.png

    其中,θ为绕组在磁芯上所覆盖的长度对圆心所张开的角度。

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    图3 差模电感量磁路长度计算模型

    然而漏磁通并不仅仅只存在于磁环的内侧,同样,磁环的外侧也存在着一部分漏磁通,因此,根据经验对上式修正为:

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    1fb54233f11b0d5ebad30c271120a04a.png

    等效相对磁导率f9a69387ee60f862e7d5618aea3995f8.png是一个与磁芯相对磁导率4a0acfa16aa8504d3a42e0fa925282ec.png关的参数,差模电感的等效相对磁导率是一个只跟磁芯几何参数有关的量。

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    其中,

    le为厂商所提供的环形磁芯的有效磁路长度;

    d为与磁芯有效截面Ae面积相等的圆的直径;

    综上所述:

    共模电感的差模分量可以按下式进行估算:

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    ac1ef61bba38b2a02d2953271ed3bdaf.png三、实验验证

    为了验证上述模型的正确性,进行了下述实验:

    1.共模电感差模分量的计算

    • 测试条件:

        磁芯:R7K  T25/15/1;

        仪器:LCR表;

        测试频率:100KHz;

        测试信号幅值:1V;

        直流偏置:0A。

    • 测试方法:

      将共模电感两绕组的其中一侧短接,然后再对另一侧进行测量,由上述模型可知,所测得的电感量为差模电感量的两倍。

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    2. 验证差模分量是否会使电感饱和

    • 实验条件:

        磁芯:R7K  T25/15/7.5;

        匝数:50;

        仪器:LCR表;

        测试频率:100KHz;

        测试信号幅值:1V;

        直流偏置:8A。

    • 理论计算:

    8a74ecbc5b7af36668d025e5d277b7ac.png

    • 测试方法:

      将共模电感两绕组的其中一侧短接,然后再对另一侧进行测量:在8A的直流偏置下,不同温度下的差模电感量如下:

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    结果:在110℃,该共模电感流过8A的电流时出现了饱和。

    ac1ef61bba38b2a02d2953271ed3bdaf.png四、结论

    1.共模电感的差模分量所产生的磁通虽然只流经磁芯的一部分,但只要该磁通密度足够大(在高温大电流下)也会使电感饱和;

    2.当电感工作的最大磁通密度Bm>0.6Bsat(在60℃时,Bsat约为0.35T)时,磁芯的u值/电感量开始下降。为了保证电感工作在磁芯磁化曲线的“膝部”以下,在设计时应留有充足的裕量。

    THE END

    以上就是针对共模电感差模分量计算的分析供大家参考。

    0d375cd758751209f941fd7a7c7673a6.png转载是一种动力   分享是一种美德▼更多精彩推荐,请关注我们▼b8bf6b4ed6002c3c6caa1974aa08e18f.png韬略科技fe649a523ca4e5cb07b3591effa69903.png
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