摘要

EMI抑制方案有許多組合，包括濾波器組合、變壓器繞線(xiàn)安排，甚至PCB布局。本文提供一種結合共模電感與差模電感的磁混成，稱(chēng)之為混成式共模電感器。不僅保留共模電感的高阻抗特性，同時(shí)利用其很高漏電感當成差模電感用。不僅可以縮小體積節省濾波器成本，更提供了工程師快速解決傳導型EMI 問(wèn)題的方法。

混成式共模電感的原理與功能

在常規單級EMI 濾波器電路中，如圖一，有共模噪聲濾波器 (LCM、CY1與CY2) 與差模噪聲濾波器 (LDM、CX1與CX2) 分別形成”LC濾波器”衰減共模與差模噪聲。共模電感通常以高導磁錳鋅 (Mn-Zn) 鐵氧體 (Ferrite) 制成，電感值可達1~50mH。共模電感器，如圖二，由于繞線(xiàn)極性安排，雖然兩組線(xiàn)圈分別流過(guò)負載電流，但鐵芯內部磁力線(xiàn)互相抵消，一般不存在鐵芯飽和的問(wèn)題。常用的鐵芯有環(huán)型 (Toroidal)、UU型 (UU-9.8、UU-10.5等)、ET型與UT型，如圖三。為了獲得足夠的共模電感值，要盡量讓兩組線(xiàn)圈的耦合達到最好，所以多采用施工成本較高的環(huán)型或一體成型的ET與UT 鐵芯。

圖一、常規EMI濾波器結構

圖二、共模電感器

圖三、共模濾波器(a)環(huán)型(b)ET型(c)UU型(d)UT型

從共模電感的工作原理與等效電路來(lái)看，如圖四所示，雙繞組的共模電感雖然有很好的耦合，但是還是存在漏電感，漏電感就是由漏磁通造成。這個(gè)漏電感在等效上串聯(lián)在電路上，功能上與差模電感無(wú)異。所以可以說(shuō)，共模電感器的漏電感可以利用來(lái)做為差模濾波器。然而如圖三所示的共模電感器，由于機械結構的關(guān)系，其漏電感都很小，約莫在數mH到100mH。如果要得到更大的漏電感，只有增加匝數一途，如此一來(lái)，線(xiàn)徑變細，電流耐受降低。要改善只有增加鐵芯尺寸，當然也增加了濾波器的體積與成本。許多要求極高共模電感的應用，其實(shí)不在濾除共模噪聲，而是要得到較大的漏電感當差模濾波器用，只是許多工程師不甚清楚罷了。

圖四、共模電感器的等效模型

為了增加共模電感的漏電感，特殊的鐵芯結構與繞線(xiàn)方法稱(chēng)為混成式共模電感器 (Integrated Common-mode Choke) 或者稱(chēng)混成共模電感器 (Hybrid Common-mode Choke)，如圖五所示。這樣的結構，不僅可以保留共模電感量以充分濾除共模噪聲，而且其漏電感形成的差模電感可以高達數百mH，配合適當的X電容，可以有效的濾除中低頻段 (150kHz~3MHz) 的差模

信號。實(shí)驗證明混成式共模電感器不僅具有很好的濾波特性，低成本與小體積更是最大的優(yōu)點(diǎn)。

圖五、立式與臥式混成式共模電感器

主要的電氣參數

混成式共模電感器除保留了常規的共模電感器的規格外，還兼具差模電感的特性。一般除了用共模與差模電感量標示外，還要以以下參數來(lái)規范。

(1)共模阻抗 (Common-mode Impedance, ZCM) : 相較于電源阻抗穩定網(wǎng)絡(luò ) (Line Impedance Stabilization Network, LISN)的高頻等效電阻 (共模為25W)，濾波用的共模阻抗越大越好。除了鐵芯材質(zhì)外，繞線(xiàn)的方法(槽數)更影響高頻阻抗的高低。圖六為共模阻抗的量測法，圖七為ASU-1200系列共模阻抗特性圖。由于繞線(xiàn)的層間雜散電容 (Stray Capacitance, CS) 存在，高頻時(shí)將變?yōu)殡娙菪?；CS越小越好。

圖六、共模阻抗量測

圖七、ASU-1200系列共模阻抗特性圖

(2)共模電感 (Common-mode Inductance, LCM) : 傳統上，習慣以外加測試電壓 (VOSC)與頻率來(lái)規范共模電感。依鐵芯材料特色，共模電感以VOSC = 1Vac @100kHz 量測較為穩定。

(3)差模阻抗 (Differential-mode Impedance, ZDM) : 同樣的，量測等效差模阻抗的方法如圖八所示，用差模阻抗特性圖 (如圖九)來(lái)定義差模濾波的效能；相較于LISN 的等效電阻100W，差模阻抗也是越大越好。當然高頻時(shí)一樣會(huì )變成電容性，但只要阻抗夠大，一樣有濾波的效果。

圖八、差模阻抗量測

圖九、ASU-1200系列差模阻抗特性圖

(4)差模電感 (Differential-mode Inductance, LDM) : 差模電感一樣可以VOSC = 1Vac @100kHz 來(lái)規范。在實(shí)用上，混成式差模電感量必須在100mH 以上，配合X電容，才能有效的濾除差模噪聲。

(5)差模飽和電流 (Isat) : 如前所述，因為等效差模電感必須流過(guò)負載電流，在負載電流的峰值下，差模電感不能飽和，否則其濾除噪聲的能力將降低。圖十為一般橋式整流濾波電路的輸入電流波形。必須確保在最大電流峰值下，差模電感量沒(méi)有因飽和而下降。傳統上，以電感值衰減20% (相對于沒(méi)有直流偏置) 為其差模飽和電流。

(a)

(b)

圖十、(a) 全橋濾波電路 (b) 輸入電流波形

(6)有效承受電流(Irms) : 等效上就是規范線(xiàn)徑粗細。雖然如圖十的輸入電流波形，但其有效值并不高，一般可以?xún)杀兜妮敵龉β食宰畹洼斎腚妷汗烙?。例如全電壓范?5W 的電源適配器，輸入電流的有效值約為 2*25W/90Vac = 0.55A。

表一為ASU-1200 系列的電氣參數表

應用電路

混成式共模電感器，簡(jiǎn)單說(shuō)就是一個(gè)傳統共模電感與一個(gè)(或兩個(gè))差模電感的混成。在應用上，EMI工程師必須選定需要的共模電感、差模電感以及相關(guān)的差模飽和電流與承受電流。ASU-1200 系列混成式共模電感適合應用在25W到50W的Flyback 電路或120W以下PFC 電路。圖十一為兩種應用混成式共模電感器的Flyback 電路。

(a)

(b)

圖十一、兩種應用混成式共模電感器的Flyback 電路(a) 常規位置搭配X電容 (b) 置于橋整后與電解電容形成P型濾波器

圖十二為應用在臨界導通模式 (Boundary Conduction Mode) 主動(dòng)功因改善 (PFC) 電路的濾波器。

圖十二、應用于PFC電路的混成共模電感器

圖十三到圖十五為應用ASU-1203混成式共模電感器在一個(gè)24W (12V/2A) 的離線(xiàn)式Flyback 電源中EMI 的表現。明顯地可以看出這種共模電感不只有效的衰減共模噪聲，同時(shí)其差模電感也大量的衰減差模噪聲。整體而言，裝有ASU-1203 的EMI 表現，在中低頻段約有30dB的衰減。

圖十三、共模噪聲衰減 (藍色曲線(xiàn)為裝有ASU-1203 的共模噪聲量測圖)

圖十四、總噪聲衰減 (藍色曲線(xiàn)為裝有ASU-1203 的總噪聲量測圖)

圖十五、差模噪聲衰減 (藍色曲線(xiàn)為裝有ASU-1203 的差模噪聲量測圖)