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共模電感和差模電感分析

發(fā)布時(shí)間:2019-06-14 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】電源濾波器的設(shè)計(jì)通常可從共模和差模兩方面來(lái)考慮。共模濾波器最重要的部分就是共模扼流圈,與差模扼流圈相比,共模扼流圈的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)在于它的電感值極高,而且體積又小,設(shè)計(jì)共模扼流圈時(shí)要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題是它的漏感,也就是差模電感。
 
共模電感和差模電感
 
通常,計(jì)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(shè)計(jì)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(nèi)。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(yīng)與線(xiàn)匝間的相對(duì)距離和螺旋管芯體的磁導(dǎo)率成正比。共模扼流圈有兩個(gè)繞組,這兩個(gè)繞組被設(shè)計(jì)成使它們所流過(guò)的電流沿線(xiàn)圈芯傳導(dǎo)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(dāng)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(nèi)。
 
如果芯體具有差模電感,那么,差模電流就會(huì)使芯體內(nèi)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(xiàn)象,使共模電感基本與無(wú)磁芯的電感一樣。結(jié)果,共模輻射的強(qiáng)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(cè)得的差模電感,是差模峰值電流,n為共模線(xiàn)圈的匝數(shù)。
 
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(xiàn)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(shù),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(cè)得:將其一引腿兩端短接,然后測(cè)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(shè)計(jì)時(shí),假定共模與差模這兩部分是彼此獨(dú)立的。然而,這兩部分并非真正獨(dú)立,因?yàn)楣材6罅魅梢蕴峁┫喈?dāng)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(shè)計(jì)過(guò)程中,共模與差模不應(yīng)同時(shí)進(jìn)行,而應(yīng)該按照一定的順序來(lái)做。首先,應(yīng)該測(cè)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(cè)量共模噪聲了。如果設(shè)計(jì)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(yīng)測(cè)量共模與差模的混合噪聲。因?yàn)橐阎材3煞衷谠肼暼菹抟韵?,因此超?biāo)的僅是差模成分,可用共模濾波器的差模漏感來(lái)衰減。對(duì)于低功率電源系統(tǒng),共模扼流圈的差模電感足以解決差模輻射問(wèn)題,因?yàn)椴钅]椛涞脑醋杩馆^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?jù)公式(2)作簡(jiǎn)單計(jì)算來(lái)避免磁飽和現(xiàn)象的發(fā)生。
 
用LISN原理測(cè)量共模扼流圈飽和特性的方法
 
測(cè)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(yàn)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(xiàng)測(cè)試需要一臺(tái)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(jiān)測(cè)線(xiàn)電壓。按如下方法從示波器的A通道輸入信號(hào),將示波器的時(shí)間基準(zhǔn)置為2ms/div,然后將觸發(fā)信號(hào)加在A通道上,在交流電壓達(dá)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(jí)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(dāng)共模扼流圈工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí),在輸入電流波動(dòng)期間,B通道監(jiān)測(cè)到的發(fā)射增加值不超過(guò)6—10DB。圖1為此測(cè)試在示波器上顯示的結(jié)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?qū)ㄇ覀魉统潆婋娏鳌?/div>
 
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(jí)
 
如果共模扼流圈達(dá)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(dá)到強(qiáng)飽和,發(fā)射強(qiáng)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(dá)到40dB以上。
 
這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(xiàn)出來(lái)的效果。峰值發(fā)射與最小發(fā)射的比率,即降級(jí)因子,用來(lái)衡量線(xiàn)電流偏移量對(duì)濾波器實(shí)際效果的影響。降級(jí)因子較大表明共模扼流圈磁芯完全沒(méi)有得到恰當(dāng)?shù)氖褂?,較好的濾波器的“固有降級(jí)因子”差不多在2—4之間。它是由兩種現(xiàn)象產(chǎn)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?qū)ā9材0l(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(dāng)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(xiàn)象。當(dāng)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(xiàn)象。當(dāng)二極管整流橋反向偏置電容較小時(shí),對(duì)共模濾除有一定效果。當(dāng)整流橋正向偏置時(shí)則對(duì)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(jí)因子的預(yù)期值為2左右。實(shí)際值的變化相當(dāng)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(yīng)用這個(gè)原理來(lái)減小鎮(zhèn)流器的傳導(dǎo)發(fā)射的。
 
用電流原理測(cè)量共模扼流圈飽和特性的方法
 
如果測(cè)試人員相當(dāng)謹(jǐn)慎,那么就可以采取類(lèi)似MIL-STD-461中的測(cè)試裝置來(lái)檢測(cè)共模扼流圈的飽和特性。這個(gè)原理的應(yīng)用如下:測(cè)試時(shí)采用兩只電流探頭,低頻探頭監(jiān)測(cè)線(xiàn)電流,高頻探頭僅測(cè)量共模發(fā)射電流。線(xiàn)電流監(jiān)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(nèi)繞組導(dǎo)線(xiàn)對(duì)稱(chēng)性的函數(shù)。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(dá)到這個(gè)衰減值,測(cè)得的差模分量也可能超過(guò)預(yù)期的共模分量值??捎萌缦聝身?xiàng)技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題:第一,將一只6kHz轉(zhuǎn)折頻率的高階高通濾波器與示波器串聯(lián)(注意應(yīng)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(dǎo)線(xiàn)。為了測(cè)量共模輻射,電流探頭應(yīng)夾在這些載有極小線(xiàn)電流的導(dǎo)線(xiàn)近旁。
 
共模扼流圈內(nèi)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(cè)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(duì)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(shè)電流密度J產(chǎn)生磁場(chǎng)H,那么就可得出結(jié)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(dǎo)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(xiàn)出來(lái)的效果一樣。每個(gè)繞組在環(huán)形線(xiàn)圈一半的區(qū)域內(nèi)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。
 
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