高磁导率铁心共模扼流圈的开发与应用 Development and application of common-mode choke coil with high permeability core 1引言 近代通讯技术的发展，需要有较高速度的通讯系统，例子如速率为100Mbps和1000Mbps的双绞线以太网100Base——T、1000Base——T。 因为要使设备在所有的电磁环境下均具有足够抗干扰性的设计是因难的，故常将某种共模扼流圈应用于系统，装配以后作为抗干涉和扰动的网络磁性元件。这种情况下，要求具有高的共模阻抗，以便达到足够的使用效果。 研制成的扼流圈，用于综合服务数字网（ISDN）、非对称数字用户线环路（ADSL）以及速率为10Mbps的双绞线以太网（10Base——T）等通讯接口，作为抗干扰的磁性器件；用于减少共模电磁干扰与随机噪音，以防止它们导入传输介质中。为在宽的频率区内获得大的共模阻抗，需要有多匝的绕组，但这将导致高频率下通讯信号的插损增大。因此，对高速的通讯系统，例如100Base——T和1000Base——T，不能采用常规的扼流圈。 本文提出的共模扼流圈适用于100Base——T网。对扼流圈所要求的特性和插损进行了研究。为探讨其性能，当扰动（干扰波）施加于接有扼流圈的LAN接口时，对其抗干扰的程度也进行了测量。 2共模扼流圈的技术要求 图1所示为共模扼流圈的应用实例，作为系统装配以后的一项抗干扰措施。这一扼流圈被插入设备和电缆的通讯接口之间，可抑制来自设备和电缆的干扰。扼流圈的等效电路也示于图1。图中，R和L分别为绕在铁心上导线的电阻和自感；C为导线之间的电容；Ls是扼流圈的共模电感；Cs为线圈的寄生（杂散）电容；Gs是由复数的铁心磁导率其虚数部分引起的线圈插损；而CL1和CL2则为每条线和地之间的寄生电容。 高速通讯扼流圈的技术要求见表1。表中还列出了UTP CAT-5电缆的要求。勿需考虑近端的交叉串扰和特性阻抗，因为相对于信号的波长，扼流圈所用的线长度足够短。对于高速的LAN，插损总的水平将达到24dB。考虑到100m长电缆在100MHz时的该值，我们确定，在相同频率下扼流圈的插损可达到2dB，用于10Base——T网接口抗干扰器件的扼流圈其共模插损在0.5~60MHz范围内大于20dB，该值被用作共模插损的技术要求。 3扼流圈的设计和特性 共模扼流圈的组成结构示于图2。扼流圈由铁氧体磁心，线圈架和导线组成。扼流圈的特性取决于它们的性能参数。这样，我们将研究铁心磁导率与线和长度对其性能的影响。 3.1测量特性的方法 为了评估特性，对共模和差模信号的插损进行了测量。图3（a）为测量差模信号插入损耗的试验装置。一对平衡/不平衡变压器，其带宽为1~600MHz，用于测量差模信号的插损。插入损耗按下式确定： (1) 式中VR1扼流圈未插入两变压器之间时的电压；而VT1—扼流圈已插入两变压器之间时的电压。选用100Ω的阻抗，以与传输电缆的特性阻抗匹配。图3（b）所示为测量共模信号插损的测试装置。插入损耗按下式求得： （2） 式中VR2—扼流圈未插入信号发生器和电平计之间时的电压；而VT2—扼流圈已插入信号发生器和电平计之间时的电压。信号发生器和电平测量计的输出、输入阻抗均为50Ω。 3.2磁导率的影响 采用高磁导率的铁心是在大的带宽内获得理想共模插损的有效方法。对铁心磁导率和插入损耗之间的关系进行了研究，结果示于图4。研究时选用了两种型式的铁氧体磁心，其相对磁导率分别为10，000和2，200。在频率10KHz以下，这些磁导率是恒定值；高频时，随着频率的增加，磁导率成比例减小。结果表明：磁导率10，000的扼流圈其共模插损比磁导率2，200的扼流圈具有更大的频带宽。对应于共模插损大于20dB的最大频率与最小频率之比，已由55提高到198，约为用于10Base——T扼流圈该值的4倍。 差模电流通常等于信号电流图5为差模信号的插入损耗，它不受铁心磁导率的影响，在100MHz时约为1.3dB。这就满足了表1给出的相应技术要求，此值仅为用于10Base——T扼流圈插损的一半。 磁心的接触表面情况影响磁导率。对此影响进行研究的结果示于图6。经过打磨的磁心接触表面，共相对磁导率为10，000。图中表示，对庆于共模插损大于20dB的最大与最小频率之比，已由85提高到390（线长度为0.5m情况下）。这表明打磨接触表面，对抑制磁导率的下降是有效的，磁导率的下降是由于图2所示磁心两部分之间表面的接触不密合所致。 3.3线长度的影响 为在宽的频率范围内获得高的共模阻抗，我们需要大的Ls值和小的Cs值。采用多匝数的绕组可产生大的Ls值，但这也导致Cs值的增大以及共模插损的提高。线的长度与共模插损之间的关系示于图7。利用图3（b）所示装置在线的长度为0.3、0.4和0.5m情况下，对共模信号的插损进行了测量。将两条双绞线中的4根线绕在铁氧体磁心上，线与线之间，两端相互连接，以便测量共模信号的插入损耗。结果表明：在频率10MHz以下，插损随线的长度增加而增大，但超过10MHz以上，插损与线的长度无关。这就意味着在此频率范围内，扼流圈寄生电容的影响可以被控制。 利用图3（b）所示装置测量了差模信号的插入损耗，其结果示于图8。插损随着线的长度 稳定地增加。对0.5m长的线，插损小于2dB的频率为49MHz；对0.4m长的线，频率为61MHz；而对于0.3m长的线频率则为84MHz。这些结果表明，为满足表1所列的技术要求，需要进行更多的研究。然而，共模扼流圈能适用于大多数局域网接口，因为基本用于高速LAN系统的100Base——T，其主要频段是在50MHz以下。 4扼流圈的性能 共模扼流圈已研制成功，其外观图如图9所示。为满足10Base——T和100Base——T系统的要求，扼流圈接有4条线，双线的绞合旨在减小对传输线的影响，例如交叉串音及不平衡等。为适应LAN系统的技术条件，扼流圈的每一端装有8线的MJ连接器，电缆的插损示于图8。绞合线之间的偏移对传输特性的影响很小。 为研究扼流圈的性能，对个人计算机（pc）的抗干扰性进行了测量，测试装置示于图10。两台计算机PC-1和PC-2，用CAT-5LAN电缆相互连接。并将耦合—解耦网（CDN）置于PC-1和PC-2之间。扼流圈已插入CDN的受测设备（EUT）接口。将连续等幅波（CW）信号幅值为1V（有效值）、调制频率1KHz及调制程度80%的干扰信号，施加于CDN网的信号接口。试验时采用了磁导率为10，000，线长度分为0.3、0.4和0.5m三种型式的扼流圈。软件则用于测量输入、输出信号的通过量，当干扰信号未施加于PC-2时，平均的通过量约为65Mbps。 结果示于图11。横轴表示干扰频率，纵轴为当干扰未施加时按最大值标定的相对通过量。从150KHz到80MHz范围内测量其抗干扰度。由150KHz到10MHz，即使干扰信号幅值从1V增至10V，性能未曾降低。图11显示了由10MHz至80MHz之间的测量结果。 图11（a）所示为扼流圈未插入时的信息通过量（相对值）。在60和80MHz附近，通过量减少；图11（b）为采用0.3m线长的扼流圈插入时的通过量，在70MHz左右通过量减小，但其最小值也大于无扼流圈时的能通过量；图11（c）为插入0.4m线的扼流圈时的通过量，从10到80MHz范围内几乎全部抑制了通过量的减少；图11（d）表示当插入0.5m线的扼流圈时的通过量，没有见到性能的降低。图11的结果说明：扼流圈对改善抗干扰度的能力随线的长度增加而提高，但插入损耗也随线的长度而增加。因而在此项研究中，我们不能获得两种要求都满足的扼流圈。不过，线的长度为0.5m时，该扼流圈能适用于几乎任何局域网接口，因为在大多数环境下LAN电缆的长度通常小于100m。 5结论 插入PC和LAN电缆之间的共模扼流圈已经开发，旨在改善PC装配以后的抗干扰性。考虑到高速LAN系统的技术条件，确定了对扼流圈的要求。我们研究了铁心磁导率和绕组线长度的影响。结果表明：要改善频带宽，采用高磁导率的铁心是有效的方法。频率范围比采用常规的铁心约扩大4倍，而通讯信号的插入损耗约为Base——T所用扼流圈的插损的一半。 已研制成相对磁导率10，000、线长度0.3、0.4和0.5m的各种扼流圈，并对其性能进行了测量。结果显示：当线的长度为0.5m时，频率从0.1~40MHz，共模信号的插损>20dB；当线的长度为0.3m时，频率在84MHz以下，差模信号的插损<2dB，为了研究扼流圈的性能，当干扰波施加到PC的LAN接口时，我们测量了其抗扰性的改善程度。结果表明：抗干扰度随线的长度而增加，要达到充分的改善效果，0.5m长的线就合乎要求。 扼流圈能用于1000Base——T系统的LAN接口，因信号的主频段在50MHz以下，故主要适用于高速LAN系统。 下一步的课题是要减少高频插损，以便它能适手于1000Base——T这样的更高速LAN系统。 主要参考文献 Fujio Amemiya，Kusuo Takagi，Nobuo Kuwabara，SDeiji Hamada，Yuichiro lwamoto.“Developing a Common-mode Choke Co;with High-PermeabihityCore Used High-Speed Telecommunications Port for UTP cable”2002.6.IEEE