抑制共模电感

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共模电感共模电感(CommonmodeChoke)，也叫共模扼流圈，惯用于电脑的开关电源中过滤共模的电磁干扰信号。在板卡设计中，共模电感也是起EMI滤波的作用，用于克制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射。目录初识共模电感共模电感工作原理漏感和差模电感共模电感使用材料的优劣势从看板卡整体设计看共模电感概述主板Layout(布线)设计主板布线的划断主板接口的设计从必要性看共模电感共模电感的测量与诊疗概述漏感的重要性共模扼流圈综述用LISN原理测量共模扼流圈饱和特性的办法用电流原理测量共模扼流圈饱和特性的办法共模扼流圈内存在的差模与共模磁通参考下列围绕麦克斯韦方程所进行的讨论漏感综述无辐射共模扼流圈构造壶形铁芯构造E形铁芯构造共模滤波器JEPSUN-CM系列展开初识共模电感共模电感工作原理漏感和差模电感共模电感使用材料的优劣势从看板卡整体设计看共模电感概述主板Layout(布线)设计主板布线的划断主板接口的设计从必要性看共模电感共模电感的测量与诊疗概述漏感的重要性共模扼流圈综述用LISN原理测量共模扼流圈饱和特性的办法用电流原理测量共模扼流圈饱和特性的办法共模扼流圈内存在的差模与共模磁通参考下列围绕麦克斯韦方程所进行的讨论漏感综述无辐射共模扼流圈构造壶形铁芯构造E形铁芯构造共模滤波器JEPSUN-CM系列展开编辑本段初识共模电感共模电感的一种小知识：EMI(ElectroMagneticInterference，电磁干扰)计算机内部的主板上混合了多个高频电路、数字电路和模拟电路，它们工作时会产生大量高频电磁波互相干扰，这就是EMI。EMI还会通过主板布线或外接线缆向外发射，造成电磁辐射污染，不仅影响其它的电子设备正常工作，还对人体有害。PC板卡上的芯片在工作过程中既是一种电磁干扰对象，也是一种电磁干扰源。总的来说，我们能够把这些电磁干扰分成两类：串模干扰(差模干扰)与共模干扰(接地干扰)。以主板上的两条PCB走线(连接主板各元件的导线)为例，所谓串模干扰，指的是两条走线之间的干扰；而共模干扰则是两条走线和PCB地线之间的电位差引发的干扰。串模干扰电流作用于两条信号线间，其传导方向与波形和信号电流一致；共模干扰电流作用在信号线路和地线之间，干扰电流在两条信号线上各流过二分之一且同向，并以地线为公共回路。共模电感如果板卡产生的共模电流不通过衰减过滤(特别是像USB和IEEE1394接口这种高速接口走线上的共模电流)，那么共模干扰电流就很容易通过接口数据线产生电磁辐射——在线缆中因共模电流而产生的共模辐射。美国FCC、国际无线电干扰特别委员会的CISPR22以及我国的GB9254等原则规范等都对信息技术设备通信端口的共模传导干扰和辐射发射有有关的限制规定。为了消除信号线上输入的干扰信号及感应的多个干扰，我们必须合理安排滤波电路来过滤共模和串模的干扰，共模电感就是滤波电路中的一种构成部分。共模电感实质上是一种双向滤波器：首先要滤除信号线上共模电磁干扰，另首先又要克制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其它电子设备的正常工作。图2是我们常见的共模电感的内部电路示意图，在实际电路设计中，还能够采用多级共模电路来更加好地滤除电磁干扰。另外，在主板上我们也能看到一种贴片式的共模电感(图3)，其构造和功效与直立式共模电感几乎是同样的。编辑本段共模电感工作原理为什么共模电感能防EMI？要搞清晰这点，我们需要从共模电感的构造开始分析。共模电感的滤波电路，La和Lb就是共模电感线圈。这两个线圈绕在同一铁芯上，匝数和相位都相似(绕制反向)。这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而互相抵消，此时正常信号电流重要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼)；当有共模电图2图3流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈体现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达成滤波的目的。事实上，将这个滤波电路一端接干扰源，另一端接被干扰设备，则La和C1，Lb和C2就构成两组低通滤波器，能够使线路上的共模EMI信号被控制在很低的电平上。该电路既能够克制外部的EMI信号传入，又能够衰减线路本身工作时产生的EMI信号，能有效地减少EMI干扰强度。现在国内生产的一种小型共模电感，采用高频之杂讯克制对策，共模扼流线圈构造，讯号不衰减，体积小、使用方便，含有平衡度佳、使用方便、高品质等优点。广泛使用在双平衡调音装置、多频变压器、阻抗变压器、平衡及不平衡转换变压器...等。尚有一种共模滤波器电感/EMI滤波器电感采用铁氧体磁心，双线并绕，杂讯克制对策佳，高共模噪音克制和低差模噪声信号克制，低差模噪声信号克制干扰源，在高速信号中难以变形，体积小、含有平衡度佳、使用方便、高品质等优点。广泛使用在克制电子设备EMI噪音、个人电脑及外围设备的USB线路、DVC、STB的IEEE1394线路、液晶显示面板、低压微分信号...等。编辑本段漏感和差模电感对抱负的电感模型而言，当线圈绕完后，全部磁通都集中在线圈的中心内。但普通状况下环形线圈不会绕满一周，或绕制不紧密，这样会引发磁通的泄漏。共模电感有两个绕组，其间有相称共模电感大的间隙，这样就会产生磁通泄漏，并形成差模电感。因此，共模电感普通也含有一定的差模干扰衰减能力。在滤波器的设计中，我们也能够运用漏感。如在普通的滤波器中，仅安装一种共模电感，运用共模电感的漏感产生适量的差模电感，起到对差模电流的克制作用。有时，还要人为增加共模扼流圈的漏电感，提高差模电感量，以达成更加好的滤波效果。编辑本段共模电感使用材料的优劣势磁环类型的铁芯优点：高初始导磁率(这个是共模电感的基本规定)、高饱和磁感应强度、温度较之铁氧体稳定(能够理解为温升小)，频率特性比较灵活，由于导磁率高，很小就能够做出很大的感量，适应频率比较宽;整体优势：由于初始导磁率是铁氧体的5-20倍，对传导干扰的克制作用远不不大于铁氧体;纳米晶的高饱和磁感应强度比铁氧体的好，因此在大电流下不易饱和;温升较之UF系列的要低，我实际测试：室温下要低将近10度(个人测试值仅作参考);构造上的灵活令其适应性好，从加工工艺上进行变化，即可适应不同需求(见过节能灯上用的磁环电感，使用相称灵活);分布电容会更小，由于绕线的面积更宽，体积也相对较小;环行所用匝数少一点，分布参数小一点，效率占优(针对具体进行分析，我猜是由于线径的缘故，望补充);整体劣势：磁环孔径小，机器难以穿线，需要人工去绕，费时费力，加工成本高，效率低。而在成本压力日益增加的同时，这一点已尤为重要了。耐压方面较之UF优势不大：我自己想的，由于看到诸多磁环共模中间使用扎线带隔开的，这样不是很可靠，有的中间拉开一定距离，线用点胶固定，时间长了，可靠性怎么样呢?如果电感量规定比较大，线会挤在一起，安全性上有一点疑惑。安装不便，故障率较高---来自发热友的分享：“普通性能是同样的，同样线径磁环要比UF10.5做的感量要高，容易实现。测试传导时相似感量有碰到UF10.5比较好，相差5个DB左右!磁环要是像年纪图片是比较便宜，但不好插件，故障比较大。要是加了底座也不便宜，比UF10.5贵”应用：由于成本的因素，磁环大多用在大功率的电源上，发热友形容：“小功率的用磁环太高档了”，是有道理的。固然由于体积小，对体积有规定的小功率电源，采用磁环的也是很OK的选择。综合性能比起来，优于UF系的。如果成本压力不大的项目，能够考虑用磁环的。我实际测试传到，用磁环的余量要低更多。并且感量还比UF的小。再说说UF/UU系列的共模材料：基本上为铁氧体，固然这铁氧体也有区别的，普通有MXO-锰锌类和NXO-镍锌类。镍锌类的重要优点是：初始磁导率低(不大于1000u)，但是能够工作在比较高的频率(不不大于100MHZ)下，保持磁导率不变。很强很伟大。NXO比MXO电阻率高。运用铁氧体对高频杂波的类似阻尼的作用将高频杂波以热能的方式释放出来，这就解释了共模电感的温度问题。百度上对共模电感的原理说的比我清晰：两个线圈绕在同一铁芯上，匝数和相位都相似(绕制反向)。这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而互相抵消，此时正常信号电流重要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼);当线圈中流过有共模干扰的电流时，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈体现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达成滤波的目的。整体优势：最重要的一点：成本低(我用的这个是0.9元人民币)，能够用机器绕、高效，惯用UU9.8或UU10.5;有骨架，绕制工艺应当会更加好控制，能够做更高的电感量;耐压及可靠性要好?针对磁环共模的;好插件，好安装。四个脚嘛，孔位对了就没一点问题;基本用在小电流的电源上，由于线径不能够用很粗的，故电流不能太大;整体劣势：空间因素：封装位置大，maybe是由于比较强健，不像磁环那么小巧玲珑;发热比较严重，也是根据我实测的：90V输入满载室温下，能够到快90度;应用：普通用在成本控制比较严格的、抑或小功率的场合;[1]编辑本段从看板卡整体设计看共模电感概述在某些主板上，我们能看到共模电感，但是在大多数主板上，我们都会发现省略了该元件，甚至有的连位置也没有预留。这样的主板，合格吗？不可否认，共模电感对主板高速接口的共模干扰有较好的克制作用，能有效避免EMI通过线缆形成电磁辐射影响其它外设的正常工作和我们的身体健康。但同时也需要指出，板卡的防E共模电感MI设计是一种相称庞大和系统化的工程，采用共模电感的设计只是其中的一种小部分。高速接口处有共模电感设计的板卡，不见得整体防EMI设计就优秀。因此，从共模滤波电路我们只能看到板卡设计的一种方面，这一点容易被大家无视，犯下见木不见林的错误。只有理解了板卡整体的防EMI设计，我们才能够评价板卡的优劣。那么，优秀的板卡设计在防EMI性能上普通都会做哪些工作呢？主板Layout(布线)设计对优秀的主板布线设计而言，时钟走线大多会采用屏蔽方法或者靠近地线以减少EMI。对多层PCB设计，在相邻的PCB走线层会采用开环原则，导线从一层到另一层，在设计上就会避免导线形成环状。如果走线构成闭环，就起到了天线的作用，会增强EMI辐射强度。信号线的不等长同样会造成两条线路阻抗不平衡而形成共模干扰，因此，在板卡设计中都会将信号线以蛇形线方式解决使其阻抗尽量的一致，削弱共模干扰。同时，蛇形线在布线时也会最大程度地减小弯曲的摆幅，以减小环形区域的面积，从而减少辐射强度。在高速PCB设计中，走线的长度普通都不会是时钟信号波长1/4的整数倍，否则会产生谐振，产生严重的EMI辐射。同时走线要确保回流途径最小并且畅通。对去耦电容的设计来说，其设立要靠近电源管脚，并且电容的电源走线和地线所包围的面积要尽量地小，这样才干减小电源的波纹和噪声，减少EMI辐射。固然，上述只是PCB防EMI设计中的一小部分原则。主板的Layout设计是一门非常复杂而精深的学问，甚至诸多DIYer都有这样的共识：Layout设计得优秀与否，对主板的整体性能有着极为重大的影响。主板布线的划断如果想将主板电路间的电磁干扰完全隔离，这是绝对不可能的，由于我们没有方法将电磁干扰一种个地“包”起来，因此要采用其它方法来减少干扰的程度。主板PCB中的金属导线是传递干扰电流的罪魁祸首，它像天线同样传递和发射着电磁干扰信号，因此在适宜的地方“截断”这些“天线”是有用的防EMI的办法。“天线”断了，再以一圈绝缘体将其包围，它对外界的干扰自然就会大大共模电感减小。如果在断开处使用滤波电容还能够更进一步减少电磁辐射泄露。这种设计能明显地增加高频工作时的稳定性和避免EMI辐射的产生，许多大的主板厂商在设计上都使用了该办法。图注：“断开”的设计用来制止电磁干扰借这些接口向外传送形成电磁辐射，图中电路板上的亮线清晰可见。特别是USB接口部分采用该设计后，可在很大程度上大大改善EMI电流向外辐射的可能。主板接口的设计不知大家与否注意到，现在的主板都会附送一块开口的薄铁挡片，其实这也是用来防EMI的。即使现在的机箱EMI屏蔽性能都不错，但电磁波还是会从机箱表面的开孔处泄漏出来，如PS/2接口、USB接口以及并、串口等的开口处。孔的大小决定了电磁干扰的泄露程度。开口的孔径越小，电磁干扰辐射的削弱程度越大。对方形孔而言，L就是其对角线长度。使用了挡片之后，挡片上翘起的金属触片会和主板上的输入输出部分较好地通过机箱接地，不仅衰减了EMI，并且减小了方孔的尺寸，进一步缩小L值，从而能够更有效地屏蔽电磁干扰辐射。上述三点只是主板设计中除电路设计之外的几个重要防EMI设计，由此可见，主板的防EMI设计是一种整体的概念，如果整体的设计不合格，就会带来较大的电磁辐射，而这些也不是一种小小的共模电感所能弥补的。编辑本段从必要性看共模电感共模电感缺失=防EMI性能低下？这样的说法显然是颇为片面的。诚然，由于国家现在的EMI有关规范并不健全，部分厂商为了省料就钻了这个空子，在整体防EMI性能上都大肆省料压缩成本(其中就涉及共模电感的省略)，这样做的直接后果就是主板防EMI性能极其低下；但是对于那些整体设计优秀，用料不缩水的主板，即使没有共模电感，其整体防EMI性能仍能达成有关规定，这样的产品仍然是合格的。因此，单纯就与否有共模电感这一点来判断主板的优劣并不恰当.编辑本段共模电感的测量与诊疗概述电源滤波器的设计普通可从共模和差模两方面来考虑。共模滤波器最重要的部分就是共模扼流圈，与差模扼流圈相比，共模扼流圈的一种明显优点在于它的电感值极高，并且体积又小，设计共模扼流圈时要考虑的一种重要问题是它的漏感，也就是差模电感。普通，计算漏感的方法是假定它为共模电感的1%，事实上漏感为共模电感的0.5%～4%之间。在设计最优性能的扼流圈时，这个误差的影响可能是不容无视的。漏感的重要性漏感是如何形成的呢？紧密绕制，且绕满一周的环形线圈，即使没有磁芯，其全部磁通都集中在线圈“芯”内。但是，如果环形线圈没有绕满一周，或者绕制不紧密，那么磁通共模电感就会从芯中泄漏出来。这种效应与线匝间的相对距离和螺旋管芯体的磁导率成正比。共模扼流圈有两个绕组，这两个绕组被设计成使它们所流过的电流沿线圈芯传导时方向相反，从而使磁场为0。如果为了安全起见，芯体上的线圈不是双线绕制，这样两个绕组之间就有相称大的间隙，自然就引发磁通“泄漏”，这即是说，磁场在所关心的各个点上并非真正为0。共模扼流圈的漏感是差模电感。事实上，与差模有关的磁通必须在某点上离开芯体，换句话说，磁通在芯体外部形成闭合回路，而不仅仅只局限在环形芯体内。如果芯体含有差模电感，那么，差模电流就会使芯体内的磁通发生偏离零点，如果偏离太大，芯体便会发生磁饱和现象，使共模电感基本与无磁芯的电感同样。成果，共模辐射的强度就犹如电路中没有扼流圈同样。差模电流在共模环形线圈中引发的磁通偏离可由下式得出：式中，是芯体中的磁通变化量，Ldm是测得的差模电感，是差模峰值电流，n为共模线圈的匝数。由于能够通过控制B总，使之不大于B饱和，从而避免芯体发生磁饱和现象，有下列法则：式中，是差模峰值电流，Bmax是磁通量的最大偏离，n是线圈的匝数，A是环形线圈的横截面积。Ldm是线圈的差模电感。共模扼流圈的差模电感能够按以下办法测得：将其一引腿两端短接，然后测量另外两腿间的电感，其示值即为共模扼流圈的差模电感。共模扼流圈综述滤波器设计时，假定共模与差模这两部分是彼此独立的。然而，这两部分并非真正独立，由于共模扼流圈能够提供相称大的差模电感。这部分差模电感可由分立的差模电感来模拟。为了运用差模电感，在滤波器的设计过程中，共模与差模不应同时进行，而应当按照一定的次序来做。首先，应当测量共模噪声并将其滤除掉。采用差模克制网络（DifferentialModeRejectionNetwork），能够将差模成分消除，因此就能够直接测量共模噪声了。如果设计的共模滤波器要同时使差模噪声不超出允许范畴，那么就应测量共模与差模的混合噪声。由于已知共模成分在噪声容限下列，因此超标的仅是差模成分，可用共模滤波器的差模漏感来衰减。对于低功率电源系统，共模扼流圈的差模电感足以解决差模辐射问题，由于差模辐射的源阻抗较小，因此只有极少量的电感是有效的。尽管少量的差模电感非常有用，但太大的差模电感能够使扼流圈发生磁饱和。可根据公式（2）作简朴计算来避免磁饱和现象的发生。用LISN原理测量共模扼流圈饱和特性的办法测量共模线圈磁芯（整体或部分）的饱和特性普通是很困难的。通过简朴的实验能够看出共模滤波器的衰减在多大程度上受由60Hz编置电流引发的电感减小量的影响。进行此项测试需要一台示波器和一种差模克制网络（DMRN）。首先，用示波器来监测线电压。按以下办法从示波器的A通道输入信号，将示波器的时间基准置为2ms/div，然后将触发信号加在A通道上，在交流电压达成峰值时会有线电流产生，此时滤波器效能的降级是意料中的事情。差模克制网络（DMRN）的输入端连接到LISN，输出端用50的阻抗进行匹配且与示波器的B通道相连。当共模扼流圈工作在线性区时，在输入电流波动期间，B通道监测到的发射增加值不超出6—10dB。图1为此测试在示波器上显示的成果，上面的曲线为共模发射；下面的曲线为线电压。在线电压峰值期间，桥式整流器正向导通且传送充电电流。图1示波器上显示的由于60Hz充电电流引发的共模扼流圈的降级图一如果共模扼流圈达成饱和，那么在输入浪涌增加时，发射将会增加。如果共模扼流圈达成强饱和，发射强度与不加滤波器时的状况是同样的，也就是说很容易达成40dB以上。这些实验数据可用其它办法来解释。发射最小值（线电流为0的时候）是滤波器无偏置电流时体现出来的效果。峰值发射与最小发射的比率，即降级因子，用来衡量线电流偏移量对滤波器实际效果的影响。降级因子较大表明共模扼流圈磁芯完全没有得到恰当的使用，较好的滤波器的“固有降级因子”差不多在2—4之间。它是由两种现象产生的：第一，60Hz充电电流引发的电感减小（如上所述）；第二，桥式整流器的正向及反向导通。共模发射的等效电路由一种阻抗约为200pF的电压源、二极管阻抗和LISN的共模阻抗构成，如图2所示。当桥式整流器正向偏置时，在源阻抗、25和LISN共模阻抗之间会产生分压现象。当桥整流器反向偏置时，在源阻抗、整流桥反偏电容、LISN之间产生分压现象。当二极管整流桥反向偏置电容较小时，对共模滤除有一定效果。当整流桥正向偏置时则对共模滤除没有影响。图2共模辐射等效电路图2共模辐射等效电路由于产生了分压，固有降级因子的预期值为2左右。实际值的变化相称大，重要取决于源阻抗和二极管整流桥反向偏置电容的实际大小。在Flugan发明的一种电路中，正是应用这个原理来减小镇流器的传导发射的。用电流原理测量共模扼流圈饱和特性的办法如果测试人员相称谨慎，那么就能够采用类似MIL-STD-461中的测试装置来检测共模扼流圈的饱和特性。这个原理的应用以下：测试时采用两只电流探头，低频探头监测线电流，高频探头仅测量共模发射电流。线电流监视器作为触发源。但是，使用电流探头的一种隐患是差模电流衰减是管芯内绕组导线对称性的函数。如果精心合理安排绕线布局的话，30dB左右的差模电流衰减是能够得到的。即使达成这个衰减值，测得的差模分量也可能超出预期的共模分量值。可用以下两项技术来解决这一问题：第一，将一只6kHz转折频率的高阶高通滤波器与示波器串联（注意应用50的终端阻抗进行匹配）。第二，在每只10μF的电容与电源总线之间接入一根导线。为了测量共模辐射，电流探头应夹在这些载有极小线电流的导线近旁。共模扼流圈内存在的差模与共模磁通为了快速且浅显地介绍共模扼流圈的作用，可考虑采用下列叙述：“共模扼流圈管芯两侧的磁场互相抵消，因此不存在磁通使管芯饱和。”尽管这种叙述对共模扼流圈作用的直觉叙述具体化了，但实质上并非如此。参考下列围绕麦克斯韦方程所进行的讨论*假设电流密度J产生磁场H，那么就可得出结论：附近的另一种电流不会抵消或制止磁场或者是由此而产生的电场。*同样一种相邻的电流能够造成磁场途径的变化。*在环形共模电感的特殊场合中，每条引线中的差模电流密度可假定是相等的，且方向相反。因此由此而产生的磁场必然在环形磁芯周边上的总和为0，而在其外部则不为0！磁芯的作用就仿佛它在线圈绕组的间隙处裂为两半时所体现出来的效果同样。每个绕组在环形线圈二分之一的区域内产生磁场，意指穿过空气的磁场必然会形成自封闭回路，图3是环形磁芯和差模电流磁路的示意图。图3共模环形磁芯中差模磁路示意图图3共模环形磁芯中差模磁路示意图漏感综述共模扼流圈能发挥一定的作用是由于μcm比μdm大好几个数量级的缘故，由于共模电流普通很小，能够通过使L/D保持在较低值来获得