1.8 共模滤波电感器

上一节我们讲到这个滤波器

那么它是由电感跟电容构成的

那么这里面实际上最复杂的

就是一个共模滤波电感器

所以这一节我们特别强调一下

共模滤波电感器

那么讲这之前我们大家先回顾一下

我们滤波器的基本的设计过程是什么样

第一步我们要把这个电源的

原始噪声把它测量出来

同时还要分别测量差模和共模的噪声

因为它们两个的

这个滤波方式是不一样的

元件参数是不一样

所以叫做差共模的分离

那么差共模分离方法很多

那么这里我们就不展开了

那比如说我们就测量了一个电源的噪声

它的原始噪声

就是没有加任何滤波器的时候

它所表现出来的噪声

也就是噪声源的大小

是这样的一条曲线

频率越高噪声越小

这是第一步

第二步就是要确定滤波器的插入损耗

到底我这个滤波器要多大的插入损耗

才能使你的原始噪声被衰减到

被抑制到 EMI 的标准以下

那很简单

这个是 EMI 的标准

那么原始噪声减掉 EMI 的标准

那么再加上一个 6dB 的余量

这是习惯上 6dB 的余量

那么就形成了我们滤波器

所需要的插入损耗

也就是我的滤波器所需要的插入损耗

那么这张图大家可以看到

我们电源的标准

有 A 级标准 B 级标准

它的一个基本的曲线是这样子

这个是峰值

这个 ClassA 的峰值

这是 ClassA 的这个 AV 值

也就是说平均值

那那么这个是 ClassB 的峰值

这条线是 ClassB 的峰值

这条线是 ClassB 的 AV 值

那就相当于这样的一条线

那么就把我们的滤波器

所需要的插入损耗呢

把它确定下来了

那么确定完以后

我们就跟据电路的情况

你要滤除的噪声的电路的情况

跟据主抗的失配原则

来确定我滤波器的拓扑结构

那首先一开始我们先用一级是吧

如果一级不够我们再加两级

那么我们先按照一级来做一个设计

就这时候就把我们的滤波器的电路

基本上确定下来了

那么确定下来以后

就可以设计滤波器里面的滤波元件了

就不外乎电感跟电容了

首先我们是跟据安规要求来确定电容

这里面就包括了 CY 电容

它的对地电容的漏电流

就工频漏电流要满足要求

第二个你的 cs 电容要满足电流的冲击

因为当你机子是没电的时候

突然间把 220 的电压加上去

会有一个冲击电流给这个电容充电

所以说这个电容也不能够太大

那么这个都是跟据

具体的要求可以来确定的

所以电容的容量很简单

尽量在安规的条件下满足就行了

那么电容定了以后

我们就跟据一阶滤波器

或者二阶滤波器它的截止频率来计算

确定出我的电感量是多少

那这时候我们就把基本的 LC

把它确定下来了

但是到此为止

我们做的工作都是一种理想化的工作

都是很理想的

都没考虑到这个电容

或者电感它的一些高频的

分布参数的影响

那么再下一步我们就考虑到元件

包括电感电容它的分布参数的影响

它并不是理想的一个电感

它是这样的一个阻抗特性

那要把这样的特性放到

设计里面去考虑

那考虑到这个以后

还要考虑到元件之间的近场耦合

比如说我的共模电感

两个共模电感之间有没有耦合

或者我开关电源里面的

数字滤波电感

有没有耦合到我的滤波器里面的

共模电感里面来

那这些耦合它的机理就比较复杂

讲起来就很多

所以大家知道有这一件事情

所以还要考虑到元件近场耦合的影响

考虑完以后我们就可以做 EMI 测试

如果 EMI 测试过关了

那当然这事情就解决了

如果过不了关

那还要做 EMI 的整改

还要改参数 甚至改级数

还要改这些分布参数

改这些电场磁场的一个耦合来解决问题

所以这里面实际上最关键的

是共模电感器

所以我们专门讲了一个共模电感器

我们看看一个共模滤波电感器

它的等效电路是什么样的

这是一个共模的电感器

它自己有两个绕组

一个叫 L 绕组

一个叫 N 绕组

那这个两个绕组

它怎么绕向 它的同名端是这样子的

也就说这个进线端是同名端

那么我们来看看它

既然它是两个绕组

那就构成了一个耦合电感

或者构成了一个变压器

那么变压器它就有漏感

所以说它就变成一个变压器

加上一个漏感

那么这个漏感它就形成了差模电感

那么变压器的激磁电感

就形成了我的共模电感

那么我们来看一下

当我分别给它加上的是差模电流

跟共模电流的时候

它所表现出来的特性是什么样的

我们先来看共模

共模噪声是从 L 线 N 线一起流进去的

所以这两跟线实际上是并联起来流的

它流的这个方向它也这个方向

那么跟据同名端这个流进去

磁场是这样走的

这个流进去磁场是这样走的

这两个磁场方向都是一个顺时针方向

所以它的磁通

绝大部分都局限在我的磁芯的内部

所以共模磁通基本都在磁芯的内部

那由于我的共模电感的磁性的 μ 值都很高

所以它的共模感量就很大

那我们再来看看差模

差模什么意思

就是从 L 线进去是从 N 线出来

所以这两个方向是相反的

上面这个电流产生的磁场是顺时针的

下面这个电流产生的磁场是反时针的

所以这两个是顶上了

两个就对上了

所以它就要形成一个回路

它怎么回去呢

一方面是从磁芯的里面回来

一方面是从磁芯的外部回来

虽然它就会造成一个

从空气中间走的一个磁场

所以这个是差模的磁通分布

它就会从这里走到这里

从这里回去

还有一部分就从空间回去

所以差模磁通

它是通过磁芯的外部空气来形成回路的

但是由于外部空气是空气

它的磁阻很大

所以它的差模的感量就会很小

那么这几个图是一个共模电感的基本结构

那么这个是最传统的结构

L 线 N 线

那么这个也是

这是一个日字型磁芯做的

这也是一个共模电感

那么现在有很多人用这种来做共模电感

这是 N 绕组

这是 L 绕组 这样来做

那么这样子我们就能看到它的共模部分

它的磁场分布是这样的特性

差模部分它的磁场分布是这样的特性

那么我们再来看一看共模滤波器

它的磁芯跟绕组的设计的考虑

首先是磁芯考虑

由于我们的共模滤波器

它滤波范围是是高频的是干扰是噪声

实际上是从 150k-30M

所以它必须关注

我这样的一个磁导率

它在高频下面的一个特性

比如说这条这个 3F3 这个材料

它在低频下它可能有一千两千左右的

磁导率还算比较高了

但是只要我频率一提高

它到了这里一兆两兆三兆四兆

到了四兆左右

它的 μ 值就开始往下掉了

所以我们希望我们的磁芯

它的频宽尽量的宽

所以我们不要追求说

我这个磁芯我的磁导率很高

我有 一万 两万

但是频率高以后它马上就跌落下来

那么这个也没必要

也不是我们需要的磁芯

所以我们要关注这个

复数磁导率跟频率的一个关系

所以磁芯的磁导率频率特性

要与我的噪声频率要配合

如果我的噪声的频率

大部分都是在一兆左右

那么你就要选择在一兆左右

还有较大磁导率的磁芯

这是一个考虑

再一个还考虑温度的影响

一般磁芯它都随着温度的上升

它的磁导率是在上升的

那么在上升的

所以我们在设计的时候

我们不要说只看到这个低温

常温下面的磁导率只有 2000

那么在高温下

比如说我们在一百度左右

那么它的 μ 值实际上已经到了3000了

所以我们要把铁芯的温度适当提高

就是把共模电感的温度适当提高

它反而有助于提高磁导率

提高我的共模电感的感量

那么在绕组方面我们要注意

第一个 L 线跟 N 线的绕组要安规隔离

因为 L N 线加的是 220 电压

它要隔离那么怎么隔离

如果是采用分绕的绕组

分到就是这边绕 L 线 这边绕 N 线

那么它影响有什么

就是它这样差模漏感比较大

因为它是分开两边绕的

所以它差模它磁通都往外面跑掉了

它的漏感比较大

那么就需要一个安规的隔板

这是一个安规隔板

把 L 线跟 N 线把它隔开

那么通过磁芯的这个绝缘怎么办

它是通过把我的磁芯

外面这个包上一层

那就起了一个绝缘的作用

所以它的铁芯是用这个来绝缘的

那么这一部分是通过隔板来绝缘的

所以它是通过安规隔板来隔开的

那有的时候我们为了

让我的共模感量再大一点

我希望我的漏感小一点

那么采用并绕

就是两股线并绕这里面是两股线

一股浅一点一股深一点

那个来并绕

那这时候它的漏感就很小

因为它两跟线并绕

它基本上没有泄露

但是一个绕组要用三层绝缘线

就是某一跟线要用三层绝缘线

它才能够保证 L 线和 N 线

之间的绝缘的要求

所以这采用这两种方式

那么除了安规的要求以外

我们还要考虑到绕组的分布电容

因为分布电容大了以后

它就会出现谐振

一旦过了谐振点

这个电感就变成电容了

就不是感性了

而是变成容性了

所以我们要尽量的

让我这个分布电容的要小

那么分布电容小要怎么考虑

要尽量避免两层来绕

因为如果你有两层的话

就存在着层间的电容

如果你一层

它就只有这一层跟铁芯的电容

它就会小了很多

所以要考虑安规 考虑电容的影响

这两个都要考虑

那么再一个

我们还要强调一个就是共模电感

它的工频的电流产生的偏磁

这点很重要

也就是说如果我共模电感的

也就说我的共模电感

本质上讲它只是滤除这个差模

或者共模噪声 它只是滤模噪声

那么噪声的电平是很低的

可能都只有微伏微安的概念

它永远不会让我的铁芯饱和

但是我们的功率电流

也就是我工频电流

那么这个电流

它又表现为差模的形态

一根进一根出

它又表现为差模的形态

所以说对于这种分绕结构

也就是 L 线 N 线是分开了结构

在工频功率电流的作用下

这个工频电流就表现为差模形态

它的作用下就有可能使得

磁芯存在偏磁磁通

这是一个分绕的

这是 L 线这是 N 线

我给它们通一个工频电流

那么工频电流在高频下

它就相当于一个直流了

就给它当成一个直流

那么它就会产生磁场

那么这个磁场

就是这样的一个分布规律

如果我沿着 A 到 B

做出这个 B 的就磁通密度的分布规律

我们就看到 A 点它的磁通很小

你看磁力线很稀

但是这一点它的磁力线最密

也就是说这一点的 B 是最大的

所以它在整个差模磁通

也就是说工频电流产生的磁通

它在整个磁环上面

这个磁的圆柱环上面

它并不是均匀分布的

而是绕组中间的这两部分特别大

所以偏磁磁通沿磁芯分布是不均匀的

在绕组中间部位

它的磁通密度 B 是最大的

问题来了

如果再偏磁磁通下

磁密最大处的磁芯

这里部分磁芯饱和了

那么这时候我的整个共模电感量

就会急剧的下降

而且我们的共模磁芯的 μ 值都很高

可能都是大几千上万

那么它在很小的一个偏磁下

就有可能饱和

所以就导致我的共模感量急剧下降

而且漏感越大

就是我泄露的这个磁场越大

或者说我的差模电感越大

那么在工频电流下的偏磁通就会越大

因为你感量大 磁通大就越大

那么这磁芯就越容易

造成局部的一个饱和

所以我们还是要看

你在工频电流下的磁芯有没有饱和

那么如果我们采用的是并绕结构

就是 L 线跟 N 线是一起绕的

是并绕的话

那么由于这两条线是并绕

一跟线出一跟线进

所以漏感就很小

那么它就基本上不存在

磁芯就基本不存在磁芯容易

局部饱和的问题

所以不存在这样的问题

所以这就是我们讲

在共模电感上面我们要注意的这些问题

讲到这里 谢谢大家

上一节我们讲到这个滤波器

那么它是由电感跟电容构成的

那么这里面实际上最复杂的

就是一个共模滤波电感器

所以这一节我们特别强调一下

共模滤波电感器

那么讲这之前我们大家先回顾一下

我们滤波器的基本的设计过程是什么样

第一步我们要把这个电源的

原始噪声把它测量出来

同时还要分别测量差模和共模的噪声

因为它们两个的

这个滤波方式是不一样的

元件参数是不一样

所以叫做差共模的分离

那么差共模分离方法很多

那么这里我们就不展开了

那比如说我们就测量了一个电源的噪声

它的原始噪声

就是没有加任何滤波器的时候

它所表现出来的噪声

也就是噪声源的大小

是这样的一条曲线

频率越高噪声越小

这是第一步

第二步就是要确定滤波器的插入损耗

到底我这个滤波器要多大的插入损耗

才能使你的原始噪声被衰减到

被抑制到 EMI 的标准以下

那很简单

这个是 EMI 的标准

那么原始噪声减掉 EMI 的标准

那么再加上一个 6dB 的余量

这是习惯上 6dB 的余量

那么就形成了我们滤波器

所需要的插入损耗

也就是我的滤波器所需要的插入损耗

那么这张图大家可以看到

我们电源的标准

有 A 级标准 B 级标准

它的一个基本的曲线是这样子

这个是峰值

这个 ClassA 的峰值

这是 ClassA 的这个 AV 值

也就是说平均值

那那么这个是 ClassB 的峰值

这条线是 ClassB 的峰值

这条线是 ClassB 的 AV 值

那就相当于这样的一条线

那么就把我们的滤波器

所需要的插入损耗呢

把它确定下来了

那么确定完以后

我们就跟据电路的情况

你要滤除的噪声的电路的情况

跟据主抗的失配原则

来确定我滤波器的拓扑结构

那首先一开始我们先用一级是吧

如果一级不够我们再加两级

那么我们先按照一级来做一个设计

就这时候就把我们的滤波器的电路

基本上确定下来了

那么确定下来以后

就可以设计滤波器里面的滤波元件了

就不外乎电感跟电容了

首先我们是跟据安规要求来确定电容

这里面就包括了 CY 电容

它的对地电容的漏电流

就工频漏电流要满足要求

第二个你的 cs 电容要满足电流的冲击

因为当你机子是没电的时候

突然间把 220 的电压加上去

会有一个冲击电流给这个电容充电

所以说这个电容也不能够太大

那么这个都是跟据

具体的要求可以来确定的

所以电容的容量很简单

尽量在安规的条件下满足就行了

那么电容定了以后

我们就跟据一阶滤波器

或者二阶滤波器它的截止频率来计算

确定出我的电感量是多少

那这时候我们就把基本的 LC

把它确定下来了

但是到此为止

我们做的工作都是一种理想化的工作

都是很理想的

都没考虑到这个电容

或者电感它的一些高频的

分布参数的影响

那么再下一步我们就考虑到元件

包括电感电容它的分布参数的影响

它并不是理想的一个电感

它是这样的一个阻抗特性

那要把这样的特性放到

设计里面去考虑

那考虑到这个以后

还要考虑到元件之间的近场耦合

比如说我的共模电感

两个共模电感之间有没有耦合

或者我开关电源里面的

数字滤波电感

有没有耦合到我的滤波器里面的

共模电感里面来

那这些耦合它的机理就比较复杂

讲起来就很多

所以大家知道有这一件事情

所以还要考虑到元件近场耦合的影响

考虑完以后我们就可以做 EMI 测试

如果 EMI 测试过关了

那当然这事情就解决了

如果过不了关

那还要做 EMI 的整改

还要改参数 甚至改级数

还要改这些分布参数

改这些电场磁场的一个耦合来解决问题

所以这里面实际上最关键的

是共模电感器

所以我们专门讲了一个共模电感器

我们看看一个共模滤波电感器

它的等效电路是什么样的

这是一个共模的电感器

它自己有两个绕组

一个叫 L 绕组

一个叫 N 绕组

那这个两个绕组

它怎么绕向 它的同名端是这样子的

也就说这个进线端是同名端

那么我们来看看它

既然它是两个绕组

那就构成了一个耦合电感

或者构成了一个变压器

那么变压器它就有漏感

所以说它就变成一个变压器

加上一个漏感

那么这个漏感它就形成了差模电感

那么变压器的激磁电感

就形成了我的共模电感

那么我们来看一下

当我分别给它加上的是差模电流

跟共模电流的时候

它所表现出来的特性是什么样的

我们先来看共模

共模噪声是从 L 线 N 线一起流进去的

所以这两跟线实际上是并联起来流的

它流的这个方向它也这个方向

那么跟据同名端这个流进去

磁场是这样走的

这个流进去磁场是这样走的

这两个磁场方向都是一个顺时针方向

所以它的磁通

绝大部分都局限在我的磁芯的内部

所以共模磁通基本都在磁芯的内部

那由于我的共模电感的磁性的 μ 值都很高

所以它的共模感量就很大

那我们再来看看差模

差模什么意思

就是从 L 线进去是从 N 线出来

所以这两个方向是相反的

上面这个电流产生的磁场是顺时针的

下面这个电流产生的磁场是反时针的

所以这两个是顶上了

两个就对上了

所以它就要形成一个回路

它怎么回去呢

一方面是从磁芯的里面回来

一方面是从磁芯的外部回来

虽然它就会造成一个

从空气中间走的一个磁场

所以这个是差模的磁通分布

它就会从这里走到这里

从这里回去

还有一部分就从空间回去

所以差模磁通

它是通过磁芯的外部空气来形成回路的

但是由于外部空气是空气

它的磁阻很大

所以它的差模的感量就会很小

那么这几个图是一个共模电感的基本结构

那么这个是最传统的结构

L 线 N 线

那么这个也是

这是一个日字型磁芯做的

这也是一个共模电感

那么现在有很多人用这种来做共模电感

这是 N 绕组

这是 L 绕组 这样来做

那么这样子我们就能看到它的共模部分

它的磁场分布是这样的特性

差模部分它的磁场分布是这样的特性

那么我们再来看一看共模滤波器

它的磁芯跟绕组的设计的考虑

首先是磁芯考虑

由于我们的共模滤波器

它滤波范围是是高频的是干扰是噪声

实际上是从 150k-30M

所以它必须关注

我这样的一个磁导率

它在高频下面的一个特性

比如说这条这个 3F3 这个材料

它在低频下它可能有一千两千左右的

磁导率还算比较高了

但是只要我频率一提高

它到了这里一兆两兆三兆四兆

到了四兆左右

它的 μ 值就开始往下掉了

所以我们希望我们的磁芯

它的频宽尽量的宽

所以我们不要追求说

我这个磁芯我的磁导率很高

我有 一万 两万

但是频率高以后它马上就跌落下来

那么这个也没必要

也不是我们需要的磁芯

所以我们要关注这个

复数磁导率跟频率的一个关系

所以磁芯的磁导率频率特性

要与我的噪声频率要配合

如果我的噪声的频率

大部分都是在一兆左右

那么你就要选择在一兆左右

还有较大磁导率的磁芯

这是一个考虑

再一个还考虑温度的影响

一般磁芯它都随着温度的上升

它的磁导率是在上升的

那么在上升的

所以我们在设计的时候

我们不要说只看到这个低温

常温下面的磁导率只有 2000

那么在高温下

比如说我们在一百度左右

那么它的 μ 值实际上已经到了3000了

所以我们要把铁芯的温度适当提高

就是把共模电感的温度适当提高

它反而有助于提高磁导率

提高我的共模电感的感量

那么在绕组方面我们要注意

第一个 L 线跟 N 线的绕组要安规隔离

因为 L N 线加的是 220 电压

它要隔离那么怎么隔离

如果是采用分绕的绕组

分到就是这边绕 L 线 这边绕 N 线

那么它影响有什么

就是它这样差模漏感比较大

因为它是分开两边绕的

所以它差模它磁通都往外面跑掉了

它的漏感比较大

那么就需要一个安规的隔板

这是一个安规隔板

把 L 线跟 N 线把它隔开

那么通过磁芯的这个绝缘怎么办

它是通过把我的磁芯

外面这个包上一层

那就起了一个绝缘的作用

所以它的铁芯是用这个来绝缘的

那么这一部分是通过隔板来绝缘的

所以它是通过安规隔板来隔开的

那有的时候我们为了

让我的共模感量再大一点

我希望我的漏感小一点

那么采用并绕

就是两股线并绕这里面是两股线

一股浅一点一股深一点

那个来并绕

那这时候它的漏感就很小

因为它两跟线并绕

它基本上没有泄露

但是一个绕组要用三层绝缘线

就是某一跟线要用三层绝缘线

它才能够保证 L 线和 N 线

之间的绝缘的要求

所以这采用这两种方式

那么除了安规的要求以外

我们还要考虑到绕组的分布电容

因为分布电容大了以后

它就会出现谐振

一旦过了谐振点

这个电感就变成电容了

就不是感性了

而是变成容性了

所以我们要尽量的

让我这个分布电容的要小

那么分布电容小要怎么考虑

要尽量避免两层来绕

因为如果你有两层的话

就存在着层间的电容

如果你一层

它就只有这一层跟铁芯的电容

它就会小了很多

所以要考虑安规 考虑电容的影响

这两个都要考虑

那么再一个

我们还要强调一个就是共模电感

它的工频的电流产生的偏磁

这点很重要

也就是说如果我共模电感的

也就说我的共模电感

本质上讲它只是滤除这个差模

或者共模噪声 它只是滤模噪声

那么噪声的电平是很低的

可能都只有微伏微安的概念

它永远不会让我的铁芯饱和

但是我们的功率电流

也就是我工频电流

那么这个电流

它又表现为差模的形态

一根进一根出

它又表现为差模的形态

所以说对于这种分绕结构

也就是 L 线 N 线是分开了结构

在工频功率电流的作用下

这个工频电流就表现为差模形态

它的作用下就有可能使得

磁芯存在偏磁磁通

这是一个分绕的

这是 L 线这是 N 线

我给它们通一个工频电流

那么工频电流在高频下

它就相当于一个直流了

就给它当成一个直流

那么它就会产生磁场

那么这个磁场

就是这样的一个分布规律

如果我沿着 A 到 B

做出这个 B 的就磁通密度的分布规律

我们就看到 A 点它的磁通很小

你看磁力线很稀

但是这一点它的磁力线最密

也就是说这一点的 B 是最大的

所以它在整个差模磁通

也就是说工频电流产生的磁通

它在整个磁环上面

这个磁的圆柱环上面

它并不是均匀分布的

而是绕组中间的这两部分特别大

所以偏磁磁通沿磁芯分布是不均匀的

在绕组中间部位

它的磁通密度 B 是最大的

问题来了

如果再偏磁磁通下

磁密最大处的磁芯

这里部分磁芯饱和了

那么这时候我的整个共模电感量

就会急剧的下降

而且我们的共模磁芯的 μ 值都很高

可能都是大几千上万

那么它在很小的一个偏磁下

就有可能饱和

所以就导致我的共模感量急剧下降

而且漏感越大

就是我泄露的这个磁场越大

或者说我的差模电感越大

那么在工频电流下的偏磁通就会越大

因为你感量大 磁通大就越大

那么这磁芯就越容易

造成局部的一个饱和

所以我们还是要看

你在工频电流下的磁芯有没有饱和

那么如果我们采用的是并绕结构

就是 L 线跟 N 线是一起绕的

是并绕的话

那么由于这两条线是并绕

一跟线出一跟线进

所以漏感就很小

那么它就基本上不存在

磁芯就基本不存在磁芯容易

局部饱和的问题

所以不存在这样的问题

所以这就是我们讲

在共模电感上面我们要注意的这些问题

讲到这里 谢谢大家