共模電感和差模電感

 

通常，計算漏感的辦法是假定它為共模電感的1%，實(shí)際上漏感為共模電感的 0.5% ～ 4%之間。在設計最優(yōu)性能的扼流圈時(shí)，這個(gè)誤差的影響可能是不容忽視的。

 

漏感的重要性

 

漏感是如何形成的呢？緊密繞制，且繞滿(mǎn)一周的環(huán)形線(xiàn)圈，即使沒(méi)有磁芯，其所有磁通都集中在線(xiàn)圈“芯”內。但是，如果環(huán)形線(xiàn)圈沒(méi)有繞滿(mǎn)一周，或者繞制不緊密，那么磁通就會(huì )從芯中泄漏出來(lái)。這種效應與線(xiàn)匝間的相對距離和螺旋管芯體的磁導率成正比。共模扼流圈有兩個(gè)繞組，這兩個(gè)繞組被設計成使它們所流過(guò)的電流沿線(xiàn)圈芯傳導時(shí)方向相反，從而使磁場(chǎng)為0。如果為了安全起見(jiàn)，芯體上的線(xiàn)圈不是雙線(xiàn)繞制，這樣兩個(gè)繞組之間就有相當大的間隙，自然就引起磁通“泄漏”，這即是說(shuō)，磁場(chǎng)在所關(guān)心的各個(gè)點(diǎn)上并非真正為0。共模扼流圈的漏感是差模電感。事實(shí)上，與差模有關(guān)的磁通必須在某點(diǎn)上離開(kāi)芯體，換句話(huà)說(shuō)，磁通在芯體外部形成閉合回路，而不僅僅只局限在環(huán)形芯體內。

 

如果芯體具有差模電感，那么，差模電流就會(huì )使芯體內的磁通發(fā)生偏離零點(diǎn)，如果偏離太大，芯體便會(huì )發(fā)生磁飽和現象，使共模電感基本與無(wú)磁芯的電感一樣。結果，共模輻射的強度就如同電路中沒(méi)有扼流圈一樣。差模電流在共模環(huán)形線(xiàn)圈中引起的磁通偏離可由下式得出： 

 

 

式中，是芯體中的磁通變化量，Ldm是測得的差模電感，是差模峰值電流，n為共模線(xiàn)圈的匝數。

 

由于可以通過(guò)控制B總，使之小于B飽和，從而防止芯體發(fā)生磁飽和現象，有以下法則：

 

 

式中，是差模峰值電流，Bmax是磁通量的最大偏離，n是線(xiàn)圈的匝數，A是環(huán)形線(xiàn)圈的橫截面積。Ldm是線(xiàn)圈的差模電感。

 

共模扼流圈的差模電感可以按如下方法測得：將其一引腿兩端短接，然后測量另外兩腿間的電感，其示值即為共模扼流圈的差模電感。

 

共模扼流圈綜述

 

濾波器設計時(shí)，假定共模與差模這兩部分是彼此獨立的。然而，這兩部分并非真正獨立，因為共模扼流圈可以提供相當大的差模電感。這部分差模電感可由分立的差模電感來(lái)模擬。

 

為了利用差模電感，在濾波器的設計過(guò)程中，共模與差模不應同時(shí)進(jìn)行，而應該按照一定的順序來(lái)做。首先，應該測量共模噪聲并將其濾除掉。采用差模抑制網(wǎng)絡(luò )（Differential Mode Rejection NETWORK），可以將差模成分消除，因此就可以直接測量共模噪聲了。如果設計的共模濾波器要同時(shí)使差模噪聲不超過(guò)允許范圍，那么就應測量共模與差模的混合噪聲。因為已知共模成分在噪聲容限以下，因此超標的僅是差模成分，可用共模濾波器的差模漏感來(lái)衰減。對于低功率電源系統，共模扼流圈的差模電感足以解決差模輻射問(wèn)題，因為差模輻射的源阻抗較小，因此只有極少量的電感是有效的。

 

盡管少量的差模電感非常有用，但太大的差模電感可以使扼流圈發(fā)生磁飽和?？筛鶕剑?）作簡(jiǎn)單計算來(lái)避免磁飽和現象的發(fā)生。

 

用LISN原理測量共模扼流圈飽和特性的方法

 

測量共模線(xiàn)圈磁芯（整體或部分）的飽和特性通常是很困難的。通過(guò)簡(jiǎn)單的試驗可以看出共模濾波器的衰減在多大程度上受由60Hz編置電流引起的電感減小量的影響。進(jìn)行此項測試需要一臺示波器和一個(gè)差模抑制網(wǎng)絡(luò )（DMRN）。首先，用示波器來(lái)監測線(xiàn)電壓。按如下方法從示波器的A通道輸入信號，將示波器的時(shí)間基準置為2ms/div，然后將觸發(fā)信號加在A(yíng)通道上，在交流電壓達到峰值時(shí)會(huì )有線(xiàn)電流產(chǎn)生，此時(shí)濾波器效能的降級是意料中的事情。差模抑制網(wǎng)絡(luò )（DMRN）的輸入端連接到LISN，輸出端用50的阻抗進(jìn)行匹配且與示波器的B通道相連。當共模扼流圈工作在線(xiàn)性區時(shí)，在輸入電流波動(dòng)期間，B通道監測到的發(fā)射增加值不超過(guò)6—10DB。圖1為此測試在示波器上顯示的結果，上面的曲線(xiàn)為共模發(fā)射；下面的曲線(xiàn)為線(xiàn)電壓。在線(xiàn)電壓峰值期間，橋式整流器正向導通且傳送充電電流。

 

圖1：示波器上顯示的由于60Hz充電電流引起的共模扼流圈的降級

 

如果共模扼流圈達到飽和，那么在輸入浪涌增加時(shí)，發(fā)射將會(huì )增加。如果共模扼流圈達到強飽和，發(fā)射強度與不加濾波器時(shí)的情況是一樣的，也就是說(shuō)很容易達到40dB以上。

 

這些實(shí)驗數據可用其他方法來(lái)解釋。發(fā)射最小值（線(xiàn)電流為0的時(shí)候）是濾波器無(wú)偏置電流時(shí)表現出來(lái)的效果。峰值發(fā)射與最小發(fā)射的比率，即降級因子，用來(lái)衡量線(xiàn)電流偏移量對濾波器實(shí)際效果的影響。降級因子較大表明共模扼流圈磁芯完全沒(méi)有得到恰當的使用，較好的濾波器的“固有降級因子”差不多在2—4之間。它是由兩種現象產(chǎn)生的：第一，60Hz充電電流引起的電感減?。ㄈ缟纤觯?；第二，橋式整流器的正向及反向導通。共模發(fā)射的等效電路由一個(gè)阻抗約為200PF的電壓源、二極管阻抗和LISN的共模阻抗組成，如圖2所示。當橋式整流器正向偏置時(shí)，在源阻抗、25和LISN共模阻抗之間會(huì )產(chǎn)生分壓現象。當橋整流器反向偏置時(shí)，在源阻抗、整流橋反偏電容、LISN之間產(chǎn)生分壓現象。當二極管整流橋反向偏置電容較小時(shí)，對共模濾除有一定效果。當整流橋正向偏置時(shí)則對共模濾除沒(méi)有影響。

 

圖2：共模輻射等效電路

 

由于產(chǎn)生了分壓，固有降級因子的預期值為2左右。實(shí)際值的變化相當大，主要取決于源阻抗和二極管整流橋反向偏置電容的實(shí)際大小。在Flugan發(fā)明的一個(gè)電路中，正是應用這個(gè)原理來(lái)減小鎮流器的傳導發(fā)射的。

 

用電流原理測量共模扼流圈飽和特性的方法

 

如果測試人員相當謹慎，那么就可以采取類(lèi)似MIL-STD-461中的測試裝置來(lái)檢測共模扼流圈的飽和特性。這個(gè)原理的應用如下：測試時(shí)采用兩只電流探頭，低頻探頭監測線(xiàn)電流，高頻探頭僅測量共模發(fā)射電流。線(xiàn)電流監視器作為觸發(fā)源。不過(guò)，使用電流探頭的一個(gè)隱患是差模電流衰減是管芯內繞組導線(xiàn)對稱(chēng)性的函數。如果精心合理安排繞線(xiàn)布局的話(huà)，30DB左右的差模電流衰減是能夠得到的。即使達到這個(gè)衰減值，測得的差模分量也可能超過(guò)預期的共模分量值?？捎萌缦聝身椉夹g(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題：第一，將一只6kHz轉折頻率的高階高通濾波器與示波器串聯(lián)（注意應用50的終端阻抗進(jìn)行匹配）。第二，在每只10μF的電容與電源總線(xiàn)之間接入一根導線(xiàn)。為了測量共模輻射，電流探頭應夾在這些載有極小線(xiàn)電流的導線(xiàn)近旁。

 

共模扼流圈內存在的差模與共模磁通

 

為了快速且淺顯地介紹共模扼流圈的作用，可考慮采用以下論述：“共模扼流圈管芯兩側的磁場(chǎng)相互抵消，因此不存在磁通使管芯飽和。”盡管這種論述對共模扼流圈作用的直覺(jué)敘述具體化了，但實(shí)質(zhì)上并非如此。

 

參考以下圍繞麥克斯韋方程所進(jìn)行的討論：

 

假設電流密度J產(chǎn)生磁場(chǎng)H，那么就可得出結論：附近的另一個(gè)電流不會(huì )抵消或阻止磁場(chǎng)或者是由此而產(chǎn)生的電場(chǎng)。

 

同樣一個(gè)相鄰的電流可以導致磁場(chǎng)路徑的改變。

 

在環(huán)形共模電感的特殊場(chǎng)合中，每條引線(xiàn)中的差模電流密度可假定是相等的，且方向相反。所以由此而產(chǎn)生的磁場(chǎng)必定在環(huán)形磁芯周邊上的總和為0，而在其外部則不為0！

 

磁芯的作用就好象它在線(xiàn)圈繞組的間隙處裂為兩半時(shí)所表現出來(lái)的效果一樣。每個(gè)繞組在環(huán)形線(xiàn)圈一半的區域內產(chǎn)生磁場(chǎng)，意指穿過(guò)空氣的磁場(chǎng)必定會(huì )形成自封閉回路，下圖是環(huán)形磁芯和差模電流磁路的示意圖。