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共模电感的作用和设计要点有哪些?

出处:OFweek电子工程 发布于:2019-05-07 13:46:40 | 450 次阅读

共模电感也叫共模扼流圈,常用于电脑的开关电源中过滤共模的电磁干扰信号。在板卡设计中,共模电感也是起EMI滤波的作用,用于抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射。PC板卡上的芯片在工作过程中既是一个电磁干扰对象,也是一个电磁干扰源。总的来说,我们可以把这些电磁干扰分成两类:串模干扰与共模干扰。

以主板上的两条PCB走线为例,所谓串模干扰,指的是两条走线之间的干扰;而共模干扰则是两条走线和PCB地线之间的电位差引起的干扰。串模干扰电流作用于两条信号线间,其传导方向与波形和信号电流一致;共模干扰电流作用在信号线路和地线之间,干扰电流在两条信号线上各流过二分之一且同向,并以地线为公共回路。
     如果板卡产生的共模电流不经过衰减过滤,那么共模干扰电流就很容易通过接口数据线产生电磁辐射——在线缆中因共模电流而产生的共模辐射。美国FCC、国际无线电干扰特别委员会的CISPR22以及我国的GB9254等标准规范等都对信息技术设备通信端口的共模传导干扰和辐射发射有相关的限制要求。为了消除信号线上输入的干扰信号及感应的各种干扰,我们必须合理安排滤波电路来过滤共模和串模的干扰,共模电感就是滤波电路中的一个组成部分。
      共模电感实质上是一个双向滤波器:一方面要滤除信号线上共模电磁干扰,另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰,避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作 。
共模电感的工作原理
共模电感的滤波电路,La和Lb就是共模电感线圈。这两个线圈绕在同一铁芯上,匝数和相位都相同(绕制反向)。这样,当电路中的正常电流流经共模电感时,电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消,此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响;当有共模电流流经线圈时,由于共模电流的同向性,会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗,使线圈表现为高阻抗,产生较强的阻尼效果,以此衰减共模电流,达到滤波的目的。
事实上,将这个滤波电路一端接干扰源,另一端接被干扰设备,则La和C1,Lb和C2就构成两组低通滤波器,可以使线路上的共模EMI信号被控制在很低的电平上。该电路既可以抑制外部的EMI信号传入,又可以衰减线路自身工作时产生的EMI信号,能有效地降低EMI干扰强度。国内生产的一种小型共模电感,采用高频之杂讯抑制对策,共模扼流线圈结构,讯号不衰减,体积小、使用方便,具有平衡度佳、使用方便、高品质等优点。广泛使用在双平衡调音装置、多频变压器、阻抗变压器、平衡及不平衡转换变压器等。
共模电感在源电路中的作用
电感器作为磁性元件的重要组成部分,被广泛应用于电力电子线路中。尤其在电源电路中更是不可或缺的部分。如工业控制设备中的电磁继电器,电力系统之电功计量表。开关电源设备输入和输出端的滤波器,电视接收与发射端之调谐器等等均离不开电感器。电感器在电子线路中主要的作用有:储能、滤波、扼流、谐振等。在电源电路中,由于电路处理的均是大电流或高电压的能量传递,故电感器多为“功率型”电感。
      正是因为功率电感不同于小信号处理电感,在设计时因开关电源的拓扑方式不一样,设计方式也就各有要求,造成设计的困难。当前电源电路中的电感器主要用于滤波、储能、能量传递以及功率因数校正等。电感器设计涵盖了电磁理论,磁性材料以及安规等诸多方面的知识,设计者需对工作情况和相关参数要求有清楚了解以作出最合理的设计。
共模电感的设计思路
       在设计共模电感之前,首先要考察线圈须行符合以下原则:
1、正常工作状态下,不致因通电电源电流而造成磁芯饱和。
2、对高频干扰信号要有足够大的阻抗,且有一定的频宽,而对工作频率之信号电流有最小的阻抗。
3、电感的温度系数应小,而分布电容宜小。
4、直流电阻应尽量小。
5、感应电感应尽量大,电感值需稳定。
6、绕组间之绝缘性须满足安规要求。
       由于国家的EMI相关规范并不健全,部分厂商为了省料就钻了这个空子,在整体防EMI性能上都大肆省料压缩成本,其中就包括共模电感的省略,这样做的直接后果就是主板防EMI性能极其低下;但是对于那些整体设计优秀,用料不缩水的主板,即使没有共模电感,其整体防EMI性能仍能达到相关要求,这样的产品仍然是合格的。因此,单纯就是否有共模电感这一点来判断主板的优劣并不恰当。
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