共模电感设计
2003-09-18 15:00:44
来源：国际电子变压器 2002年11月刊
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共模电感设计
1.前言
近年来，由于政府机构或其他团体对EMC（电磁兼容）日益重视，工程师们在设计产品时亦是非常注意产品的辐射问题。特别值得一提的是：直流变换器很高的开关频率及尖峰脉冲斜波就是一典型的EMI（电磁干扰）。
共模电感就是一个重要的抗电磁干扰零件，它可以在一宽频条件下提供非常高的阻抗。大多数EMI滤波器主要部件就是一共模电感。在此文中，主要介绍共模电感的设计及磁芯选材问题。
2.基本的共模
开关电源有两种噪声：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。（详见图1A和1B)
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。（见图2）
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。
3.磁芯选材
首先，噪声是由开关电源的单位基频所产生的，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。（见图3）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。
4.设计考虑
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频性能。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。
5.设计案例
要求：在工作频率为10KHz，输入线性电流为3A(RMS)时，阻抗为100 欧的共模电感。
1）选取线径
铜线截面积=3A/400A/cm2=0.0075cm2
铜线线径=2
=0.98mm
取铜线线为1.0mm
2)计算最小电感值
3)假如无指定空间，任取一磁芯
内径（ID)=13.72+/-0.38=13.34mm MIN
4)计算内圆周长和最大可绕圈数
内圆周长=3.14×(13.34-1.08)=38.5mm
最大圈数=（160/360)×38.5/1.08=15.8TS或16TS
5）计算磁芯的AL值，并选取材质
磁芯的AL最小值=1.59/162=6211nH/TS2MIN
因此种磁芯AL值变化范围一般为+/-30%故磁芯的AL值取9000nH/TS2，以上述条件，即可选取一合适磁芯。
6.总结
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。此文只是介绍了共模电感基本的设计方法，希望对大家有一定的帮助并能提供其它的参考意见！
1.前言
近年来，由于政府机构或其他团体对EMC（电磁兼容）日益重视，工程师们在设计产品时亦是非常注意产品的辐射问题。特别值得一提的是：直流变换器很高的开关频率及尖峰脉冲斜波就是一典型的EMI（电磁干扰）。
共模电感就是一个重要的抗电磁干扰零件，它可以在一宽频条件下提供非常高的阻抗。大多数EMI滤波器主要部件就是一共模电感。在此文中，主要介绍共模电感的设计及磁芯选材问题。
2.基本的共模
开关电源有两种噪声：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。（详见图1A和1B)
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。（见图2）
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。
3.磁芯选材
首先，噪声是由开关电源的单位基频所产生的，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。（见图3）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。
4.设计考虑
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频性能。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。
5.设计案例
要求：在工作频率为10KHz，输入线性电流为3A(RMS)时，阻抗为100 欧的共模电感。
1）选取线径
铜线截面积=3A/400A/cm2=0.0075cm2
铜线线径=2
=0.98mm
取铜线线为1.0mm
2)计算最小电感值
3)假如无指定空间，任取一磁芯
内径（ID)=13.72+/-0.38=13.34mm MIN
4)计算内圆周长和最大可绕圈数
内圆周长=3.14×(13.34-1.08)=38.5mm
最大圈数=（160/360)×38.5/1.08=15.8TS或16TS
5）计算磁芯的AL值，并选取材质
磁芯的AL最小值=1.59/162=6211nH/TS2MIN
因此种磁芯AL值变化范围一般为+/-30%故磁芯的AL值取9000nH/TS2，以上述条件，即可选取一合适磁芯。
6.总结
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。此文只是介绍了共模电感基本的设计方法，希望对大家有一定的帮助并能提供其它的参考意见！
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