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emi滤波器设计:共模电感绕法和饱和定义

454398 来源:世纪电源网 作者:世纪电源网 2020-11-05 10:18 次阅读

我们从一个简单的例子开始

这是一个共模电感,如下测量,你觉得测得的电感量是多少?

可能有一部分会答错,下面来说明一下:

我们知道共模电感的绕法有两种,1 双线并绕,2 两组线圈分开绕。

正确的答案应该是 10mH,下图所示。一楼所示的测量和如下测量一致。如仍有怀疑,可找个电感测量一下便知。

可以理解成两个电感并联,事实上就是两个电感并联,计算结果和测量结果是一样的。

两种绕法有何特点?

① 双线并绕

◆有较小的差模电

◆有较高的耦合电容

◆有较小的漏感

② 两组线圈分开绕

◆有较小的耦合电容

◆有较高的漏感

因此要根据实际应用情况选择绕法。

再看看这样测量出来的电感量是多少?为什么?

有的人可能会回答 0mH,有的人可能会回答 20mH,有的人可能会回答 10mH 。

不过很遗憾都不是,正确的答案 L=40mH 。如下图,按右手法则已标上电流方向和磁通方向,从图中可以看出两个线圈的磁通的方向是相同的,也就是说磁通是增加的不是相互抵消。

根据磁环电感量计算公式

式中:N = 圈数, Ac = 截面积, 分母 Mpl = 磁路长度。

注意 N 有平方的,一组线圈的圈数是 N, 则两组线圈的圈数是 2N,将 2N 代入到公式中分子有 4N², 也就是说电感量为 4 倍。本例则为 40 mH。

再看看这样测量得到的电感量应该是多少?这样测得的是什么电感量?

这个估计很多人都知道是 0mH,没错,理想状态下就是 0mH。实际共模电感总有漏感、或差模电感成份,因此按此连接测量得到的数值就是漏感或者叫差模电感。共模电感中漏感和差模电感是一回事,可以称漏感也可称差模电感。一般做得好点的漏感在1-2%左右。但有时候会特意将差模电感和共模电感做在一起,这时候的差模电感量就按实际需要做了。

01共模电感 “Z” 字形符号代表什么?

共模电感的这个符号应该很常见吧,但是符号中的 “Z” 一样的符号该怎么读?估计很少有人知道。

Z= Zorro (佐罗),很厉害的一个人物。共模电感也叫 Zorro 电感。英文中共模电感的叫法比较长 Common Mode Choke,或 Common Mode Inductor,也称 Zerro Inductor,有时简称为 Zerro。

举例:Fairchild 的关于滤波器的文章中也是这么用的,如图:

共模电感会饱和吗?

共模电感会饱和吗?答案是非常难饱和,通常情况下无需担心饱和问题,为什么呢?我们先来看看差模电流流过共模电感的情况。如图,差模电流电流电感时其磁通是相互抵消的,也就是说,在磁路里基本没有磁通产生,差模电流流过时没有阻力,没有损耗,简单说,一个额定电流 5A 的共模电感流过 100A 的差模电流也不会饱和,当然前提是导线够粗。

共模电流的情况相对复杂一点,百度了一下发觉都是抄来抄去,都是笼统的说阻抗增加,但并没有说明为何阻抗增加,基本没什么参考价值。

我们按如下方法分析一下:

假设一对共模电流流向如下图所示,两个滤波电感各自独立,没有磁通上的联系,这样能不能滤波共模电流呢?当然也能,相当于差模电感,各自为战,效果差一点。

于是我们讲两个电感合二为一,如图,这样会发生什么情况呢?

显然,流过 L1 的共模电流和流过 L2 的共模电流产生磁通相互叠加,总磁通增加。L1 和 L2 除了自感以外还有互感,L1 的电感量除了本身的电感外还要加上 L2 的互感,反之 L2 也一样。

这样情况又要分几种

1)L1 的磁通会使 L2 产生互感电动势,互感电动势的方向总是要阻碍磁通的增加,于是在 L2 中产生和共模电流方向相反的电流,L2 的共模电流被抵消,反之,L1 对 L2 的互感电流也是与 L1 的共模电流方向相反,也就是说 L1 的共模电流被抵消。如下图所示,L2 中的互感电流与 L2 的共模电流方向相反的:

2)电感量计算,如图:

根据自感公式:

则 L1 的有效电感为:

设:

于是有:

即共模电感量为绕组的两倍。

对于差模电流有:

于是,差模电感

即:

也就是说差模电感量为0。

共模和差模的概念

共模和差模的概念:这个很好理解,看一下图便知。

共模干扰来之何处?共模干扰的频率如何?1MHz 以上还是 5MHz 以上?如图:

共模干扰由 MOS 管的高 di/dt 引起,经过变压器间的电容 Cp 或杂散电容 C2 传到副边,以 Cp 为主,C2 基本可忽略。我们知道 Cp 很小,因此能传到副边的干扰频率一定很高,低频干扰信号过不去,因此 EMI 测试中的高频部分基本就是共模干扰。究竟多少 MHz 与变压器的结构有很大的关系,层间电容大了则可能 1MHz 的共模能过去,层间电容小了,则只能是更高的频率能过去,比如 5MHz 以上。

由此可见,变压器的绕制对 EMI 有不可忽略的作用,并且需要在漏感和绕组电容中折中考虑,漏感小了则初次级的电容一定大了,初次级的电容小了则漏感大了,初次级电容小则有利于抑制共模干扰,但漏感大了会在给原边的 MOS 管带来压力。

如何既能减小原付边电容又保持漏感小呢,目前看来=只有一个办法,在原付边件加屏蔽。简单说,在原边和付边之间一圈不到的铜箔,铜箔不可绕满,不可重叠,留 1mm 左后的空隙。实测效果不错的,但变压器绕制就复杂了。

我们来认识一种新的电容,其实也不是新的只不过估计很少有人知道,很少有人用。

如图,称为 Feedthrough 电容,专门用于 EMI 抑制电路,其抑制高频干扰效果相当好。

其内部等效结构如图

其在电路中的符号为:

其特点为,低 ESR,低 ESL,高谐振频率,因此专用于 EMI 抑制。其参数详细资料可网上搜索厂家的说明书。

以下的图应足够能说说明这个电容。

从上面的做图可以看出这种电容的内部其实是导线(实际有电感),导线外面通过做成电容形式,并把电容一端接地,因此低频或直流信号完全不受阻,但高频则会通过电容接地。由于该电容没有引脚,因此 ESL(等效串联电感)很小,这个至关重要。

为什么电容的谐振频率要高?

如图,所有电容的 ESR 和阻抗曲线都有相似形状,只是 ESR 或谐振点的位置不一样,图中谐振点左面电容呈容性,即具有电容的特性。但是工作频率高了以后,电容的容性越来越小,过了谐振点后,电容的容性便消失,于是电容变成了电感。可想而知,本来在电路里放了一个电容,结果变成了电感,那是什么后果?

认识一下典型的滤波电路,如图所示:

共模滤波器和差模滤波器对差模信号滤波效果对比,差模滤波器在滤出叠加在信号上的噪声后导致波形失真。

但使用共模滤波器滤出信号上的噪声后波形没有失真。

因此,对于数字信号如有噪声需滤除采用共模滤波器比较合适。

说滤波器就不能不说滤波器的阶数,谈到滤波器我们可能会听到或看到滤波器的阶数,那么什么是滤波器的阶数呢?我们看以下最简单的 RC 滤波器,那是几阶?

答案是:一阶,英文叫 First Order

那这种呢?

还有这种滤波器是几阶的呢?

答案都是二阶,英文叫 Second Order

这样说应该明白什么是滤波器的阶数了吧? 简单讲,有多少个储能元件就是几阶,RC 滤波器只有一个电容则是一阶,LC 滤波器有两个储能元件则是二阶,与前后关系无关。

如下最常见的 PI 滤波器就是三阶的了

那么一阶、二阶、三阶滤波器性能上有何区别?

可以滤什么频段是电感电容取值问题,但不同阶数的滤波器还有更重要的特性,就是衰减信号的斜率问题。

我们先弄清几个概念:

① 十倍频,这个应该不难理解,从数轴上看,十倍频就是频率增加10倍,比如 2 到 20Hz 就是一个十倍频,那么 50 到 5000Hz 是几个十倍频呢?

我们以一阶和二阶滤波器的衰减曲线为例,见图

图中横坐标是频率,用对数表示,纵坐标表示增益,单位为 dB,注意图中的圆点处,右面一条是一阶滤波器的衰减曲线,圆点从1 到 2 频率增加了十倍,从纵坐标中可以看到增益下降了 20dB,通常称为10倍频程衰减 20dB,左面一条曲线是二阶滤波器,不难看出10倍频程衰减 40dB。

由此可知,滤波器每增加一阶,十倍频程衰减增加 20dB,如下图所示。

编辑:hfy

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