共模電感和差模電感

電源濾波器的設(shè)計(jì)通常可以從共模和差模兩個(gè)方面來(lái)考慮。共模濾波器的一個(gè)重要部分是共模扼流圈，與差模扼流圈相比，共模扼流圈具有很高的電感和小尺寸的顯著優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)共模扼流圈時(shí)要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題是其漏感，即差模電感。通常，計(jì)算漏電感的方法是假設(shè)它是共模扼流圈的1%，但實(shí)際上它是共模電感的0.5%到4%之間。當(dāng)設(shè)計(jì)具有更佳性能的扼流圈時(shí)，該誤差的影響不可忽略的。

漏感的重要性

漏感是如何形成的？即使沒(méi)有磁芯，緊密纏繞的環(huán)形線圈的所有磁通量都集中在線圈的“芯”中。然而，如果環(huán)形線圈沒(méi)有纏繞或沒(méi)有緊密纏繞，磁通量將從鐵芯泄漏。這種效應(yīng)與匝間的相對(duì)距離和螺旋管芯的磁導(dǎo)率成正比。共模扼流圈有兩個(gè)繞組，設(shè)計(jì)這兩個(gè)繞組是為了使流經(jīng)繞組的電流沿線圈鐵芯傳導(dǎo)時(shí)方向相反，從而使磁場(chǎng)為零。如果出于安全考慮，鐵芯上的線圈沒(méi)有用雙線纏繞，兩個(gè)繞組之間會(huì)有相當(dāng)大的間隙，這自然會(huì)造成磁通量“泄漏”，也就是說(shuō)，在所有關(guān)注點(diǎn)上磁場(chǎng)并不是真的為零。共模扼流圈的漏感是差模電感。事實(shí)上，與差模相關(guān)的磁通量需要在某個(gè)點(diǎn)離開磁芯。換句話說(shuō)，磁通量在磁心外形成一個(gè)閉環(huán)，而不是局限在環(huán)形磁心內(nèi)。

如果鐵芯有差模電感，那么差模電流會(huì)導(dǎo)致鐵芯中的磁通量偏離零點(diǎn)，如果偏差太大，磁芯會(huì)磁飽和，使共模扼流圈與沒(méi)有磁芯的電感基本相同。因此，共模輻射的強(qiáng)度就像電路中沒(méi)有扼流圈一樣。

共模扼流圈的差模電感可以這樣測(cè)量：將一條支路的兩端短路，然后測(cè)量其他支路之間的電感，指示值為共模扼流圈的差模電感。

共模扼流圈概述

設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，假設(shè)共模和差模相互獨(dú)立。然而，這兩個(gè)部分并不是真正獨(dú)立的，因?yàn)楣材６罅魅梢蕴峁┫喈?dāng)大的差模電感。這部分差模電感可以用離散差模電感來(lái)模擬。

為了使用差模電感，在濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，共模和差模不應(yīng)該同時(shí)進(jìn)行，而應(yīng)該按照一定的順序進(jìn)行。首先，應(yīng)該測(cè)量并濾除共模噪聲。采用差模抑制網(wǎng)絡(luò)，可以去除差模分量，從而可以直接測(cè)量共模噪聲。如果共模濾波器的設(shè)計(jì)使得差模噪聲不同時(shí)超過(guò)允許范圍，則應(yīng)測(cè)量共模和差模的混合噪聲。因?yàn)橐阎材７至康陀谠肼暼菹蓿灾挥胁钅７至砍^(guò)標(biāo)準(zhǔn)，這可以通過(guò)共模濾波器的差模漏電感來(lái)衰減。對(duì)于小功率電源系統(tǒng)，共模扼流圈的差模電感足夠解決差模輻射問(wèn)題，因?yàn)椴钅］椛涞脑醋杩购苄。灾挥泻苌倭康碾姼胁庞行А?

雖然少量差模電感很有用，但過(guò)大的差模電感會(huì)使扼流圈磁飽和。根據(jù)公式進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算可以避免磁飽和現(xiàn)象。

用電流原理測(cè)量共模扼流圈飽和特性的方法

如果測(cè)試人員很小心，他可以使用類似于MIL-STD-461的測(cè)試設(shè)備來(lái)檢查共模扼流圈的飽和特性。該原理的應(yīng)用如下：測(cè)試中使用兩個(gè)電流探頭，低頻探頭監(jiān)測(cè)線路電流，高頻探頭只測(cè)量共模發(fā)射電流。線路電流監(jiān)控器用作觸發(fā)源。然而，使用電流探頭的一個(gè)隱患是差模電流衰減是管芯中繞組導(dǎo)線對(duì)稱性的函數(shù)。如果仔細(xì)合理地布置繞組布局，可以獲得約30DB的差模電流衰減。即使達(dá)到該衰減值，測(cè)量的差模分量也可能超過(guò)預(yù)期的共模分量值。解決這個(gè)問(wèn)題可以采用以下兩種技術(shù)：[敏感詞]，將一個(gè)6kHz轉(zhuǎn)折頻率的高階高通濾波器與示波器串聯(lián)（匹配時(shí)注意端子阻抗為50）。其次，在每個(gè)10μF電容和電源總線之間連接一根導(dǎo)線。為了測(cè)量共模輻射，電流探頭應(yīng)該被夾在這些傳輸很小線路電流的導(dǎo)線附近。

共模扼流圈中的差模和共模磁通

為了快速簡(jiǎn)單地介紹共模扼流圈的功能，可以考慮以下討論：“共模扼流圈鐵芯兩側(cè)的磁場(chǎng)相互抵消，因此沒(méi)有磁通量使鐵芯飽和。”雖然本討論中對(duì)共模扼流圈功能的直觀描述是具體的，但本質(zhì)上并非如此。

參考以下關(guān)于麥克斯韋方程的討論：

1. 假設(shè)電流密度J產(chǎn)生磁場(chǎng)H，可以得出結(jié)論，附近的另一個(gè)電流不會(huì)抵消或阻止它產(chǎn)生的磁場(chǎng)或電場(chǎng)。

2. 相同的相鄰電流會(huì)引起磁場(chǎng)路徑的變化。

3. 在環(huán)形共模扼流圈的特殊情況下，可以假設(shè)各導(dǎo)線中的差模電流密度相等，方向相反。因此，產(chǎn)生的磁場(chǎng)在環(huán)形磁心外圍的總和需要為0，而在外面的總和不能為0！

磁芯的作用就像它在線圈繞組的間隙被分成兩半時(shí)的效果。每個(gè)繞組在半個(gè)環(huán)形線圈中產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，這意味著穿過(guò)空氣的磁場(chǎng)需要形成一個(gè)自封閉回路。