共模电感设计需要注意哪些因素?共模电感器之设计步骤

EMC/EMI设计

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很多设计师对于共模电感的设计大多有一种感觉,那就是总觉得共模电感的设计看起来十分简单,但实际操作起来上,又有点复杂。的确共模电感的设计要考虑温度及应力等等因素。

共模电感多用在电磁干扰电磁干扰滤波器(简称EMI滤波器)中。得益于共模电感很高的阻抗,可抑制高频电路中产生的高频噪声。共模电感的构造不像工字电感和贴片电感单单把线圈绕在磁芯上面,共模电感的磁芯是环形的,绕线分单双股绕线,是共模电感特有的绕线方法。下面来简述一下共模电感设计需要注意哪些因素?

共模电感设计一般需要注意三个参数,输入电流、阻抗和频率。

1.输入电流:

一般情况下,在电路板设计完成,有一个固定的输入电流,通过输入电流来确定共模电感尺寸。

2.阻抗和频率

阻抗一般是和频率是有关联的,每个电路中的频率是不同的,需要通过频率计算出电路中的阻抗,使用相同抗性的共模电感是最佳选择。

当参数确定,我们需要考虑共模电感的磁芯和线材,并且还要计算需要的匝数,当然这个可以交给专业做共模电感的厂家去设计。线径由线路电路决定,通常测试一圈的流量量是多少,就可以算出需要绕多少圈。磁芯一般考虑的比较多一点,根据温度,频率,还有成本等因素来确定最后使用什么材质的磁芯。

共模电感器之设计步骤:

Step 0 SPEC取得:EMI允许级别,应用位置。

Step 1电感值确定。

Step 2 core材质及规格确定。

Step 3绕组匝数及线径确定。

Step 4打样

Step 5测试

设计举例

共模电感

图3实际EMI滤波器

Step 0 : 如图3所示EMI滤波电路

CX = 1.0 Uf Cy = 3300PF EMI等級 : Fcc Class

Type : Ac Common Mode Choke

Step 1:电感(L)确定:

由电路图可知共模信号由L3和C2、C3组成的共模滤波器抑制,实际L3与C2和C3构成两路LC串联电路,分别吸收L和N在线的噪声。只要确定滤波电路的截止频率,也已知电容容量C,则可以下式求出电感L。

fo= 1/(2π√LC)L → 1/(2πfo)2C

通常EMI测试频宽如下:

传导干扰:150KHZ →30MHZ(注:VDE标准10KHZ - 30M)

辐射干扰:30MHZ 1GHZ

实际的滤波器无法达到理想滤波器那样陡峭的阻抗曲线,通常可将截止频率设定在50KHZ左右。在此,假设f o = 50KHZ,则

L =1/(2πfo)2C = 1/ [( 2*3.14*50000)2 *3300*10-12] = 3.07mH

L1、L2、C1组成(低通)常模滤波器,线间电容有1.0uF,则常模电感为:

L = 1/ [( 2*3.14*50000)2 *1*10-6] = 10.14uH

如此,可得到理论要求的电感值,若想获得更低的截止频率fo,则可进一步加大电感值,截止频率一般不低于10KHZ。理论上电感量越高对EMI抑制效果越好,但过高的电感将使截止频率更低,而实际的滤波器只能做到一定宽带,也就使高频噪声的抑制效果变差(一般开关电源的噪声成分约为5 ~10MHZ间,但也有超过10MHZ之情形)。另外,电感量愈高,则绕线匝数愈多,或CORE之ui越高,如此将造成低频阻抗增加(DCR变大)。匝数增加使分布电容也随之增大(如图4),使高频电流全部经此电容流通。过高的ui使CORE极易饱和,同时制作也极困难,成本也较高。

共模电感

图4有分布电容Cd之等效电路图

Step 2 CORE材质及SIZE确定

从前述设计要求中可知,共模电感器需不易饱和,如此就需要选择低B - H角形比之材料,因需要较高的电感值,磁芯的ui值也就要高,同时还必须有较低的磁芯损耗和较高的Bs值,符合上述要求之CORE材质,目前以Mn - Zn铁氧体材料CORE最为合适。

COEE SIZE在设计时并无一定的规定,原则上只要符合所需电感量,且在允许的低频损耗范围内,以所设计的产品体积最小化即可。

因此,CORE材质及SIZE提取应以成本、允许损耗、安装空间等作考察。共模电感常用CORE之ui约在2000 ~ 10000之间。Iron Powder Core也有低的铁损,高的Bs和较低的B - H角形比率,但其ui较低,故一般不被应用于共模电感,而该类磁芯却是常模电感器之优选材料。

Step 3确定匝数N和线径dw

首先确定CORE之规格,如本例采用T18*10*7、A10、AL = 8230±30%,则:

N = √L / AL = √(3.07*106 ) / (8230*70%) = 23 TS

线径以电流密度3 ~ 5A / mm2为选择原则,若空间允许可选择尽量低的电流密度。假设本例输入电流I i = 1.2A,取J = 4 A / mm2

则Aw = 1.2 / 4 = 0.3 mm2 Φ0.70 mm

实际的共模电感还必需通过实做样品进行测试,方可确认设计之可靠性,因为制作工艺的差异也将导致电感参数的差异而影响滤波效果,如分布电容的增加,将使高频噪声更易传递,两绕组的不对称性,使两组感量差异变大,对常模信号形成一定阻抗。

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