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%，實際上漏感為共模電感的 0.5% ～ 4%之間。在設計最優性能的扼流圈時，這個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，且繞滿一周的環形線圈，即使沒有磁芯，其所有磁通都集中在線圈“芯”內。但是，如果環形線圈沒有繞滿一周，或者繞制不緊密，那么磁通就會從芯中泄漏出來。這種效應與線匝間的相對距離和螺旋管芯體的磁導率成正比。共模扼流圈有兩個繞組，這兩個繞組被設計成使它們所流過的電流沿線圈芯傳導時方向相反，從而使磁場為0。如果為了安全起見，芯體上的線圈不是雙線繞制，這樣兩個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，磁場在所關心的各個點上并非真正為0。共模扼流圈的漏感是差模電感。事實上，與差模有關的磁通必須在某點上離開芯體，換句話說，磁通在芯體外部形成閉合回路，而不僅僅只局限在環形芯體內。

 

如果芯體具有差模電感，那么，差模電流就會使芯體內的磁通發生偏離零點，如果偏離太大，芯體便會發生磁飽和現象，使共模電感基本與無磁芯的電感一樣。結果，共模輻射的強度就如同電路中沒有扼流圈一樣。差模電流在共模環形線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為共模線圈的匝數。

 

由于可以通過控制B總，使之小于B飽和，從而防止芯體發生磁飽和現象，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是線圈的匝數，A是環形線圈的橫截面積。Ldm是線圈的差模電感。

 

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，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模擬。

 

為了利用差模電感，在濾波器的設計過程中，共模與差模不應同時進行，而應該按照一定的順序來做。首先，應該測量共模噪聲并將其濾除掉。采用差模抑制網絡（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使差模噪聲不超過允許范圍，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生磁飽和。可根據公式（2）作簡單計算來避免磁飽和現象的發生。

 

用LISN原理測量共模扼流圈飽和特性的方法

 

測量共模線圈磁芯（整體或部分）的飽和特性通常是很困難的。通過簡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。進行此項測試需要一臺示波器和一個差模抑制網絡（DMRN）。首先，用示波器來監測線電壓。按如下方法從示波器的A通道輸入信號，將示波器的時間基準置為2ms/div，然后將觸發信號加在A通道上，在交流電壓達到峰值時會有線電流產生，此時濾波器效能的降級是意料中的事情。差模抑制網絡（DMRN）的輸入端連接到LISN，輸出端用50的阻抗進行匹配且與示波器的B通道相連。當共模扼流圈工作在線性區時，在輸入電流波動期間，B通道監測到的發射增加值不超過6—10DB。圖1為此測試在示波器上顯示的結果，上面的曲線為共模發射；下面的曲線為線電壓。在線電壓峰值期間，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，發射將會增加。如果共模扼流圈達到強飽和，發射強度與不加濾波器時的情況是一樣的，也就是說很容易達到40dB以上。

 

這些實驗數據可用其他方法來解釋。發射最小值（線電流為0的時候）是濾波器無偏置電流時表現出來的效果。峰值發射與最小發射的比率，即降級因子，用來衡量線電流偏移量對濾波器實際效果的影響。降級因子較大表明共模扼流圈磁芯完全沒有得到恰當的使用，較好的濾波器的“固有降級因子”差不多在2—4之間。它是由兩種現象產生的：第一，60Hz充電電流引起的電感減小（如上所述）；第二，橋式整流器的正向及反向導通。共模發射的等效電路由一個阻抗約為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，在源阻抗、25和LISN共模阻抗之間會產生分壓現象。當橋整流器反向偏置時，在源阻抗、整流橋反偏電容、LISN之間產生分壓現象。當二極管整流橋反向偏置電容較小時，對共模濾除有一定效果。當整流橋正向偏置時則對共模濾除沒有影響。

 

圖2：共模輻射等效電路

 

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

 

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，那么就可以采取類似MIL-STD-461中的測試裝置來檢測共模扼流圈的飽和特性。這個原理的應用如下：測試時采用兩只電流探頭，低頻探頭監測線電流，高頻探頭僅測量共模發射電流。線電流監視器作為觸發源。不過，使用電流探頭的一個隱患是差模電流衰減是管芯內繞組導線對稱性的函數。如果精心合理安排繞線布局的話，30DB左右的差模電流衰減是能夠得到的。即使達到這個衰減值，測得的差模分量也可能超過預期的共模分量值。可用如下兩項技術來解決這一問題：第一，將一只6kHz轉折頻率的高階高通濾波器與示波器串聯（注意應用50的終端阻抗進行匹配）。第二，在每只10μF的電容與電源總線之間接入一根導線。為了測量共模輻射，電流探頭應夾在這些載有極小線電流的導線近旁。

 

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敘述具體化了，但實質上并非如此。

 

參考以下圍繞麥克斯韋方程所進行的討論：

 

假設電流密度J產生磁場H，那么就可得出結論：附近的另一個電流不會抵消或阻止磁場或者是由此而產生的電場。

 

同樣一個相鄰的電流可以導致磁場路徑的改變。

 

在環形共模電感的特殊場合中，每條引線中的差模電流密度可假定是相等的，且方向相反。所以由此而產生的磁場必定在環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圈繞組的間隙處裂為兩半時所表現出來的效果一樣。每個繞組在環形線圈一半的區域內產生磁場，意指穿過空氣的磁場必定會形成自封閉回路，下圖是環形磁芯和差模電流磁路的示意圖。