共模电感浅谈

共模电感浅谈

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目录

1.共模电感简介 (3)

2.共模电感用于EMI滤波器 (4)

2.1噪声测量方法 (4)

2.2滤波器电路结构分析 (4)

2.3滤波器元器件参数计算 (6)

2.4共模电感的差模电感 (7)

3.共模电感的寄生参数 (9)

3.1寄生电容C1、C2 (9)

3.2电感L LK、L C (11)

3.3等效电阻R C、R W (11)

4.磁芯材料与共模电感磁芯选型 (12)

4.1铁氧体磁芯 (12)

4.2磁粉芯与高磁通磁粉芯 (12)

4.3共模电感磁芯选型 (13)

5.共模电感的设计流程 (14)

6.共模电感安规管控 (15)

1. 共模电感简介

共模电感，也叫扼流圈，常用在开关电源中过滤共模的电磁干扰信号。共模电感是一个以铁氧体等为磁芯的共模干扰抑制器件，它由两个尺寸相同，匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上，线圈的绕制方向相反，形成一个四端器件。当两线圈中流过差模电流时，产生两个相互抵消的磁场H1、H2，此时工作电流主要受线圈欧姆电阻以及可以忽略不计的工作频率下小漏感的阻尼，所以差模信号可以无衰减地通过，如图1-1所示；而当流过共模电流时，磁环中的磁通相互叠加，从而具有相当大的电感量，线圈即呈现出高阻抗，产生很强的阻尼效果，达到对共模电流的抑制作用。因此共模电感在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号，而对线路正常传输的差模信号无影响。

图1-1 差模信号通过共模线圈

2. 共模电感用于EMI 滤波器

对理想的电感模型而言，当线圈绕完后，所有磁通都集中在线圈的中心内。但通常情况下环形线圈不会绕满一周，或绕制不紧密，这样会引起磁通的泄漏。共模电感有两个绕组，其间有相当大的间隙，这样就会产生磁通泄漏，并形成差模电感，因而共模电感对差模噪声也有抑制作用。实际应用中，共模电感常和X 电容、Y 电容组成EMI 滤波器，滤除差模噪声和共模噪声。

2.1 噪声测量方法

图2-1所示为典型的噪声测量结构图，噪声的测量主要通过LISN 来实现。L ISN 是指线路阻抗稳定网络，是传导型噪声测量的重要工具。

图2-1 噪声测量结构图

其内部结构如图2-1中虚线框内所示，高频时，电感相当于断路，电容短路，低频时相反。

LISN 的作用为隔离待测试的设备和输入电源，滤除由输入电源线引入的噪声及干扰，并且在50Ω电阻上提取噪声的相应信号值送到接收机进行分析。

共模负载阻抗为25Ω，差模负载阻抗为100Ω，测量到的噪声电压如式（2-1）（2-2）所示：

dm cm L I I V ?+?=5025（2-1）

dm cm N I I V ?-?=5025（2-2）

V L 扫描和V N 扫描分别都要求满足限值要求。

2.2 滤波器电路结构分析

由X 电容、共模电感和Y 电容组成的滤波器如图2-2所示：

图2-2 EMI 滤波器电路图

2.2.1 共模等效电路

图2-3为滤波器的共模等效电路图，由于C X 对于共模噪声不起作用，故将其略去，并且以接地点G 为对称点将电路对折。其等效共模电感量为L C ，两个C Y 的等效电容值因并联变成原先的两倍，LISN 提供的两个50Ω的电阻负载也并联成为25Ω的等效负载。这个25Ω的等效负载阻抗可以看作滤波器的负载阻抗，其值相对较小，而通常情况下共模噪声源阻抗Z CM 一般较大，在满足CM Y

Z C <<ω21和Ω>>25C L ω的条件下，阻抗失配极大化，从而滤波器对于共模噪声的插入损耗也尽可能大。

图2-3 共模等效电路图

容易看出此等效电路为LC 二阶低通滤波电路，其转折频率为

Y

C RCM C L f 221?=π （2-3） 其插入损耗随着噪声频率以40dB/dec 的斜率增加。

2.2.2 差模等效电路

与上面共模等效电路分析的方法相类似，等效差模电感量为2L D ， LISN 提供的两个50Ω的电阻负载也串连成为100Ω的负载阻抗。两个C Y 的等效电容值因串联变为原来的一半，但由于差模噪声源阻抗Z CM 一般较小，通常满足DM Y

Z C >>ω2 ，因此可将Y 电容忽略。由此得到简化的差模等效电路图，如图2-4所示。

图2-4 差模等效电路图

在满足DM D Z L >>ω和Ω<<1001X

C ω的条件下，阻抗失配极大化，滤波器对于差模噪声的插入损耗也尽可能大。与共模等效电路一样，这也是LC 二阶低通滤波电路，其转折频率为：

X

D RCM C L f ?=π21 （2-4） 其插入损耗随着噪声频率也是以40dB/dec 的斜率增加。

2.3 滤波器元器件参数计算

基于以上的分析，可以计算相应的滤波器元器件参数。首先根据测得的原始共模与差模噪声，决定需要衰减的噪声频率段与衰减量，求得共差模滤波器的转折频率，然后计算滤波器各个元件的参数。

在计算元件参数时，应该注意，由于滤波器电感电容值越大，其转折频率越低，对噪声的抑制效果越好，但同时成本和体积也相应增加。而且由材料特性可知，当电感电容值越大时，可持续抑制噪声的频率范围也相对变窄，因此其值不可以取得无限大。考虑到电容对于体积的影响较电感小，而且市场上出售的电容器都有固定的电容值，与电感值相比缺乏弹性，故在决定电感电容值时，应优先考虑电容。

在计算共模元器件参数时，由于电容C Y 受安规限制，其值不能太大，应该选择符合安规的最大值。选取C Y 后，利用已经得到的转折频率f RCM ，可以通过式（2-3）计算出所需共模电感量为：

Y RCM C C f L 21212???

? ??=π（2-5）

而在计算差模元器件参数时，电感与电容值的选择弹性较大。在决定差模电容值C X 之后,差模电感值可通过式（2-4）计算出所需差模电感量为：

X RDM D C f L 1212

???? ??=π（2-6）

2.4 共模电感的差模电感

将共模电感的一个线圈短路，测量另外一个线圈的电感，或者短接一对同名端，测另一对同名端的电感，即为两个线圈的差模电感之和。那么各个线圈的差模电感分别是多少呢？

共模电感的磁通并不是完全封闭在磁芯内，有部分泄露在空气中。设磁芯中的磁场强度为H ，空气中的磁场强度为H ’；磁芯的磁导率为μ，空气的磁导率为'μ，应有'μμ>>；磁芯的横截面节为S 、磁路长度为l ，假设空气中磁通均匀分布在面积为S ’、磁路长度为l ’的空间中，不妨假设S=S ’，l=l ’。

由安培环路定理有?

=NI Hdl ，N 为共模电感的匝数，即 NI l H Hl =+'（2-7）

又()S H HS N LI ''μμ+=（2-8） 其中I HS N L C μ=，I

S H N L D ''μ=（2-9） 由（2-7）（2-8）可得''μμμ--=l NI NS LI H ，'

'μμμ--=NS LI l NI H （2-10） 将（2-10）带入（2-9），可得l

S N L l N NS L S N L C )'(''''2μμμμμμμμμμμ---=--=（2-11）， L l S N NS L l N S

N L D '')'('''2μμμμμμμμμμμ---=--=（2-12），

因为'μμ>>，所以l S N L L L C ''2μμμ-+=，L l S N L D μ

μμ''2-=（2-13）， 则)('1221L L L L D D -=-μμ， ))('1(2121L L L L C C -+=-μμ（2-14），

由（2-14）式可知，共模电感的两个线圈的共模电感和差模电感感值之差正比于其总电感量之差。由于共模差模噪声产生原因以及传播路径不同，为使共差模噪声互不影响，要求使电路中L 现和N 线到地回路的阻抗对称，即要求共模电感的两个线圈的共模电感和差模电感相等，因此行业内要求共模电感的两个线圈感值之差尽量小，一般在±5%以内。

因为'μμ>>，在两线圈电感之差不大的情况下，可认为L D1=L D2，因而共模电感单个线圈的差模电感即为测得的漏感的一半。

尽管少量的差模电感非常有用，但差模电流流过差模电感会使芯体内的磁通发生零点偏离，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一样。结果，共模辐射的强度就如同电路中没有扼流圈一样。差模电流在共模环形线圈中引起的磁通偏离可由下式得出：

n

I L dm D =?Φ（2-15） 式中，?Φ是芯体中的磁通变化量，L D 是差模电感，是差模峰值电流，n 为共模线圈的匝数。由于磁芯具有饱和磁感应强度B S ，为了防止芯体发生磁饱和现象，有以下法则：

(max)

dm S D I A nB L ≤（2-16） 式中，I dm(max)是差模峰值电流，B S 是磁感应强度的最大偏离，n 是线圈的匝数，A 是环形线圈的横截面积。

3. 共模电感的寄生参数

共模电感广泛应用于EMI 滤波器中，对抑制传导干扰具有重要作用。然而，由于共模电感的寄生参数效应，使得滤波器的高频滤波性能变差，如滤波器的插入损耗减小，可用频带变窄，无法在传导干扰考虑的0.15～30MHz 范围内正常工作。共模电感的寄生参数主要有导线和磁芯损耗（磁损），以及绕组的寄生电容。其中磁损由涡流损耗、磁滞损耗以及剩余损耗组成，影响磁损的因素很多，有频率、磁感应强度、温度、波形等，因而磁芯损耗是非线性的；共模电感的寄生电容即为绕组匝与匝、匝与地、匝与磁芯、绕组与绕组间的电容。通过适当简化铁氧体磁芯损耗，将非线性的磁芯损耗用一个与频率相关的电阻元件等效；通过阻抗测量来提取共模电感的寄生电容和共模电感的漏感，可建立了考虑寄生参数的共模电感集中参数模型，如图3-1所示。

R W 表示绕组等效电阻，R C 为磁心等效电阻；C 1 为绕组匝间的寄生电容；C 2 为两个绕组间的寄生电容

图3-1 共模电感模型

3.1 寄生电容C 1、C 2

寄生参数C 可以通过阻抗测量的方法获取。图3-2为测量C 1的原理图。

图3-2 测量C 1的原理图

共模电感P 1与P 2端短接，P 3与P 4端短接，如图3-2a 所示，测量P 1（P 2），P 3（P 4）端的谐振频率

fr ，由于12<

C f r 1221π=，其中电感值L=L C +L

D ，因而()L f C r 221212π=。因为L 与磁芯磁导率μ成正比，如果μ随频率改变，L 也随之变化为非线性电感，因此确定fr 下的电感值比较困难。

提取C 1参数的另一种方法是用外部并联电容ext C 来测量，如图3-2b 所示，电路谐振频率为：

()

ext ext C C L f +=1221π（3-1） 如果ext C 分别为1ext C ，2ext C ，则电路谐振频率为：

()

111221ext ext C C L f +=π（3-2） ()212221ext ext C C L f +=

π（3-3） 由式（3-2）得：

2

221211*********ext ext ext ext ext ext ext ext ext ext L f L f C L f C L f C --=（3-4） 式中：1ext L ，2ext L 分别为电感在1ext f ，2ext f 下的电感值。

如果1ext C ，2ext C 选择合适，1ext f ，2ext f 则比较接近，认为21ext ext L L ≈，化简式（3-4）得：

22

2112122212ext ext ext ext ext ext f f C f C f C --=（3-5） 在P 1、P 2端并联一个电感，测量P 1、P 2端的谐振频率，可提取C 2参数，其原理图如图3-3a 所示。由于L D 、C 1、C 2、R C 、R W 数值很小，因此可忽略C 1、L D 、R C 、R W 影响，近似为两个C 2 并联，等效电路如图3-3b 所示。

C 0为并联电感寄生电容，R 0为寄生电阻

图3-3 测量C 2原理图

应选用寄生电阻R 0尽可能小的并联电感，这样在测量频率内可以忽略R 0的影响。测量P 1，P 2端的谐振频率f 0，则得：

()00

2022212C L f C -=π（3-6）

3.2 电感L LK 、L C

假设共模电感和差模电感是独立的，则用分立的差模电感来模拟L LK 。将共模电感P 3、P 4端短路，测量P 1、P 2端，即可测得共模电感的漏感。铁氧体磁芯的磁导率μ随频率变化，因而电感也随之变化为非线性电感。因L LK 较小，忽略其随频率变化，共模电感L C 的数值一般非常大，需考虑L C 随频率变化。

3.3 等效电阻R C 、R W

磁性元件的损耗由两部分组成：铜损和磁损。铜损为电流流过线圈所产生的损耗，用电阻R W 等效。在高频时由于趋肤效应和临近效应，较低频下损耗有所增加，因等效电阻R W 在高频时远小于磁心等效电阻R C ，故可忽略绕组等效电阻的影响。磁损指磁性材料的损耗，影响磁损的因素很多，有频率、磁感应强度、温度、波形等。基于等效电路的原理，将磁芯损耗等效为电阻损耗，表示为R C 。这样，非线性的磁芯损耗就能用一个线性元件来表示。仅考虑电阻与频率的关系，设其与单变量f 的模型为：

()2210f c f c c R f C ++=（3-7）

多项式的次数选择二次，太低不足以描述其内部规律，太高易引起数值振荡。待定系数C 0，C 1，C 2的获取分为两个步骤：短接P 1、P 2和P 3、P 4，测量不同频率下P 1、P 4端的阻抗Rs 和电抗Xs ； 由于L LK <

()[]()22

12212221C

C C S R C C L R R ωω+-=（3-8） ()()[]()[]()22122122112221221C C C C C C S R C C L L R C C L L X ωωωω+---=

（3-9）

式中：f πω2=。 再用回归分析计算出待定系数C 0，C 1，C 2。

4. 磁芯材料与共模电感磁芯选型

常见的磁芯材料有铁氧体磁芯、磁粉芯和高磁通磁粉芯，其中常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯和铁硅铝粉芯。

4.1 铁氧体磁芯

铁氧体磁芯是由致密匀质的陶瓷结构非金属磁性材料制成。它由氧化铁（Fe2O3）和一种或几种其他金属（例如锰、锌、镍、镁）的氧化物或碳酸盐化合物组成。铁氧体原料通过压制，后经1300℃高温烧结，最后通过机器加工制成满足应用需求的成品磁芯。

铁氧体磁芯分为锰锌类和镍锌类。镍锌类的特点是：初始磁导率低（小于1000），但是可以工作在比较高的频率（大于100MHz）下，保持磁导率不变。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。而锰锌系则恰恰相反，其具有很高的初始磁导率，但在频率很低（20KHz）时，磁导率会衰减。锰锌系磁芯在低频时，能提供非常高的阻抗特性，非常适用于减小10KHz到50MHz的电磁干扰。

4.2 磁粉芯与高磁通磁粉芯

磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。磁粉芯具有均匀分布式气隙，因而拥有高电阻、低磁滞、低涡流损耗和软饱和等许多优秀的磁特性，以及在直流和交流条件下极佳的电感稳定性。由于铁磁性颗粒很小（高频下使用的为0.5～5um），又被非磁性电绝缘膜物质隔开；因此，一方面可以隔绝涡流，适用于较高频率；另一方面由于颗粒之间的间隙效应，导致材料具有低磁导率及恒导磁特性；又由于颗粒尺寸小，基本上不发生驱肤现象，磁导率随频率的变化也就较为稳定，主要用于高频电感。磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等。

铁粉芯是一种常用的软磁类磁粉芯，由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成，在粉芯中价格最低。饱和磁感应强度值在1.4T左右，磁导率范围从22～100，初始磁导率随频率的变化稳定性好，直流电流叠加性能好，但高频下损耗高。

铁粉芯被广泛用于RF应用上。由于铁粉芯中固有的分布式气隙特性，因此铁粉芯常用于储能式电感中。此外，用铁粉芯来替代坡莫合金磁芯、高磁通量磁芯或铁硅铝磁芯是一种高性价比设计。

相对铁粉芯而言，铁硅铝磁芯的磁芯损耗低的多；铁硅铝磁芯的磁致伸缩接近于零，非常适用于消除滤波电感中的音频噪音；铁硅铝磁芯在制造时没有使用有机粘结剂，因此没有任何热老化的问题；最后，铁硅铝磁芯能在200℃下连续操作，而铁粉芯只能工作于130℃以下。

而坡莫合金磁芯的磁芯损耗比铁硅铝磁芯的更低，当然价格也更高。对于要求损耗极低的电感器，应使用坡莫合金磁芯。需要在低成本下具备合理的低磁损和高饱和度，则应该使用铁硅铝磁粉芯，因为成本符合经济效益。对于直流偏置为主导，且要求尺寸小的设计，应当使用具有最高的磁通量的高磁通磁芯。

上述几种磁芯材料性能对比详见右边文档电感器磁芯材料性能比较表.pdf

4.3 共模电感磁芯选型

选用共模电感的磁芯时，形状尺寸、适用频段、价格、温升等因素都需要予以考虑。

上述磁芯材料中，铁氧体磁芯的形状最多样；而磁粉芯和高磁通磁粉芯的形状仅限于环形等形状。共模电感常用的磁芯为U型、E型和环形。

相对而言，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为共模电感所用，且在成型时，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；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，故有效磁导率比单一封闭形磁芯要低。

但环形磁芯绕线成本较高，因其他形状磁芯有一配套线架在使用，绕线可以机器作业，而环形磁芯只可以手工作业或机器（速度较低）作业；且磁环孔径小，机器难以穿线，需要人工去绕，费时费力，加工成本高，效率低；安装不便，若是加底座，则成本会上升。

综合性能比起来，磁环性能较好，价格也较高。因为成本的因素，磁环大多用在大功率的电源上。当然因为体积小，对体积有要求的小功率电源，可以采用磁环磁芯。

对于主要作用是滤除低频噪声的共模电感，应当选用高磁导率的锰锌铁氧体磁芯；相反，应该选用适用于高频的镍锌铁氧体磁芯或磁粉芯磁芯。通常适用于高频的磁芯，因其具有分布式气隙，故磁导率相对较低，二者不可兼得。不过，与普通电感器不同的是，共模电感的作用是对噪声信号形成较大的插入损耗，以减小噪声干扰。锰锌铁氧体在高频时，虽然其有效磁导率很小，但磁芯损耗随频率增加而增大，对高频噪声有较大的阻碍作用，所以也能减弱高频干扰，只是效果相对较差。然而，较大的磁芯损耗会导致磁芯发热，而损耗较小的磁芯价格也较高。

5. 共模电感的设计流程

共模电感设计所需的基本参数为：输入电流，阻抗及频率。设计步骤如下：

1.线径选取：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/cm2，为保证温升应力不超标，最大的电流密度为800A/cm2；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。

2.电感量计算：共模电感的阻抗在所给的频率条件一般规定为最小值，由L=Xs/2πf，可得出共模电感线圈感值大小。

3.磁芯型号选型：如果有规定共模电感空间，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；

4.磁芯材质选型：根据共模电感适用频段，可初步选定磁芯材质；由磁芯的型号和线径可算出可绕线匝数，再结合电感量，可得出磁芯的最小电感系数；最后，结合价格因素综合考虑，即可选定磁芯材质。

6. 共模电感安规管控

共模电感的材料包括如下：骨架、铜线、磁芯、胶带、凡立水。各认证标准对这些物料的安规管控如下表所示。