共模电感设计方案，零欧电阻、磁珠、电感有何区别

　　共模电感设计方案

　　近年来，由于政府机构或其他团宥訣MC（电磁兼容）日益重视，工程师们在设计产品时亦是非常注意产品的辐射问题。特别值得一提的是：直流变换器很高的开关频率及尖峰脉冲斜波就是一典型的EMI（电磁干扰）。

　　共模电感就是一个重要的抗电磁干扰零件，它可以在一宽频条件下提供非常高的阻抗。大多数EMI滤波器主要部件就是一共模电感。在此文中，主要介绍共模电感的设计及磁芯选材问题。

　　2.基本的共模

　　开关电源有两种噪声：一为共模，另一为差模。与输入信号的路径相同的噪声称之为差模噪声，而每相相同的从接地到输出的尖峰信号称之为共模噪声。（详见图1A和1B）

　　一典型抗电磁干扰滤波器包含共模电感，差模电感及X，Y电容。Y电容和共模电感使共模噪声衰减。在高频噪声时，电感呈现高阻抗特性，并且反射和吸收噪声。然而电容呈低阻抗（至接地）且改变主线的噪声方向。（见图2）

　　共模电感两绕组圈数是相同的，产生两大小相等方向相反的磁通量。此两磁通相互抵消。因此使磁芯处于无偏磁状态。差模电感只有一个绕组，需要磁芯提供一完全无饱和线性电流。此与共模电感有较大的不同。为防止磁饱和，差模电感必须使用一低的有效磁导率的磁芯（有气隙的铁氧体或铁粉磁芯）。然而，共模电感可以使用一较高的磁导率磁芯且在磁芯相对小的条件下可得到一比较高的电感。

　　3.磁芯选材

　　首先，噪声是由开关电源的单位基频所产生的，再加上高频谐波。也就是表示噪声在10KHz到50MHz范围内都会存在。为此，电感必须有更宽的频率范围内存在高阻抗特性。共模电感的总阻抗由两部分组成：串联感抗（Xs）和串联电阻（Rs）。在低频时，阻抗呈感抗特性。但随着频率的增加，有效磁导率下降，感抗亦在下降。（见图3）由串联感抗（Xs）和串联电阻（Rs）的相互作用，在整个频宽内产生一可接受的阻抗（Zs）。

　　对于大多数产品来讲，共模电感的磁芯都选用铁氧体（镍锌系和锰锌系）。镍锌系磁芯的特点是具有较低的初磁导率，但在非常高的频率（大于100MHz）时，仍能保持初磁导率。而锰锌系则恰恰相反，其具有很高的初磁导率，但在频率很低（20KHz）时，磁导率可能会衰减。由于镍锌系磁芯有很低的初磁导率，所以在低频时，不可产生高阻抗特性。然而锰锌系磁芯在低频时，能提供非常高的阻抗特性，且非常适用于10KHz到50MHz的抗电磁干扰。基于此，本文只集中讨论锰锌系磁芯。

　　锰锌系磁芯有很多种形状：环形，E形，罐形，RM形及EP形等等。但对于大多数共模电感都是使用环形磁芯。主要是有以下两种好处：

　　第一：环形磁芯比较便宜。因为环形只有一个就可制作，而其他形状的磁芯必须有一对才能构成共模电感所需，且在成型时，因考虑两磁芯的配对问题，还须增加研磨工序（如镜面磁芯）才能得到较高的磁导率。对于环形磁芯却不需如此。

　　第二：与其它形状磁芯相比环形磁芯有较高的有效磁导率。因为两配对磁芯在装配时，无论怎样作业都不可消除气隙的现象，故有效磁导率比只有单一封闭形磁芯要低。

　　环形磁芯有一缺点：绕线成本较高。因其他形状磁芯有一配套线架在使用，绕线都可以机器作业，而环形磁芯只可以手工作业或机器（速度较低）作业。但通常情况下，共模电感圈数较少（小于30圈），故绕线成本比较少。

　　基于上述原因，下面的共模电感都是对使用环形磁芯的叙述。

　　4.设计考虑

　　共模电感设计所需的基本参数为：输入电流，阻抗及频率。输入电流决定了绕组所需的线径。在计算线径时，电流密度通常取值为400A/cm3。但此取值须随电感温升的变化。通常情况下，绕组使用单根导线作业，这样可削减高频噪声及趋肤效应损失。

　　共模电感的阻抗在所给的频率条件一般规定为最小值。串联的线性阻抗可提供一般要求的噪声衰减。但很不幸，线性阻抗有相当少的人知道，因此设计人员经常以50W线性阻抗稳定网络仪来测试共模电感，并渐渐成为一种标准测试共模电感性能的方法。但所得的结果与实际通常有相当大的差别。实际上，共模电感在正常时角频首先会产生每八音度增加-6dB衰减（角频是共模电感产生-3dB）的频率此角频通常很低，以便感抗能够提供阻抗。故电感可以用下式来表达：

　　Ls=Xx/2πf （1）

　　电感大家都知道，但值得一提的是，设计时须注意磁芯，磁芯材质及所需的圈数。首先，设计第一步是磁芯型号的选取，如果有规定电感空间，我们就按此空间来选取合适的磁芯型号，如没有规定，通常磁芯型号的随意选取；

　　第二步是计算磁芯所能绕最大圈数。共模电感有两绕组，一般为单层，且每绕组分布在磁芯的每一边，两绕组中间须隔开一定的距离。双层及堆积绕组亦有偶尔使用，但此种作法会提高绕组的分布电容及降低电感的高频性能。由于铜线的线径已由线性电流的大小所决定，内圆周长可以由磁芯的内圆半径减去铜线半径计算得来。故最大圈数的就可以铜线加绝缘的线径及每个绕组所占据的圆周来计算。

　　5.设计案例

　　要求：在工作频率为10KHz，输入线性电流为3A（RMS）时，阻抗为100 欧的共模电感。

　　1）选取线径

　　铜线截面积=3A/400A/cm2=0.0075cm2

　　铜线线径=2

　　=0.98mm

　　取铜线线为1.0mm

　　2）计算最小电感值

　　3）假如无指定空间，任取一磁芯

　　内径（ID）=13.72+/-0.38=13.34mm MIN

　　4）计算内圆周长和最大可绕圈数

　　内圆周长=3.14×（13.34-1.08）=38.5mm

　　最大圈数=（160/360）×38.5/1.08=15.8TS或16TS

　　5）计算磁芯的AL值，并选取材质

　　磁芯的AL最小值=1.59/162=6211nH/TS2MIN

　　因此种磁芯AL值变化范围一般为+/-30%故磁芯的AL值取9000nH/TS2，以上述条件，即可选取一合适磁芯。

　　6.总结

　　共模电感的设计看起来十分简单，但实际上，它还有点复杂。为了防止磁芯饱和时，必须考虑温度及应力等等因素。但如果对磁芯材料特性比较了解，此问题就不难解决。此文只是介绍了共模电感基本的设计方法，希望对大家有一定的帮助并能提供其它的参考意见！

　　零欧电阻、磁珠、电感有何区别

　　电感是储能元件，多用于电源滤波回路、LC振荡电路、中低频的滤波电路等，其应用频率范围很少超过50MHz。对电感而言，它的感抗是和频率成正比的。这可以由公式：XL = 2πfL 来说明，其中XL是感抗（单位是Ω）。例如：一个理想的10mH电感，在10 kHz时，感抗是628Ω；在100 MHz时，增加到6.2MΩ。因此在100MHz 时，此电感可以视为开路（open circuit）。在100MHz时，若让一个讯号通过此电感，将会造成此讯号品质的下降。

　　磁珠（ferrite bead）的材料是铁镁或铁镍合金，这些材料具有有很高的电阻率和磁导率，在高频率和高阻抗下，电感内线圈之间的电容值会最小。磁珠通常只适用于高频电路，因为在低频时，它们基本上是保有电感的完整特性（包含有电阻和抗性分量），因此会造成线路上的些微损失。而在高频时，它基本上只具有抗性分量（jωL），并且抗性分量会随着频率上升而增加。象一些RF 电路，PLL，振荡电路，含超高频存储器电路（DDR，SDRAM，RAMBUS 等）都需要在电源输入部分加磁珠。实际上，磁珠是射频能量的高频衰减器。其实，可以将磁珠视为一个电阻并联一个电感。在低频时，电阻被电感「短路」，电流流往电感；在高频时，电感的高感抗迫使电流流向电阻。本质上，磁珠是一种「耗散装置（dissipative device）」，它会将高频能量转换成热能。因此，在效能上，它只能被当成电阻来解释，而不是电感。

　　零欧电阻的作用如下：

　　1，在电路中没有任何功能，只是在PCB 上为了调试方便或兼容设计等原因。

　　2，可以做跳线用，如果某段线路不用，直接补贴该电阻即可（不影响外观）

　　3，在匹配电路参数不确定的时候，以0ohm代替，实际调试的时候，确定参数，再以具体数值的元件代替。

　　4，想测某部分电路的耗电流的时候，可以去掉0ohm电阻，接上电流表，这样方便测耗电流。

　　5，在布线时，如果实在布不过去了，也可以加一个0ohm的电阻

　　6，在高频信号下，充当电感或电容。（与外部电路特性有关）电感用，主要

　　是解决EMC问题。（如地与地，电源和IC Pin 间）

　　7，单点接地（指保护接地、工作接地、直流接地在设备上相互分开，各自成为独立系统。）

　　8，熔丝作用

　　①模拟地和数字地单点接地

　　只要是地，最终都要接到一起，然后入大地。如果不接在一起就是浮地，存在压差，容易积累电荷，造成静电。地是参考0电位，所有电压都是参考地得出的，地的标准要一致，故各种地应短接在一起。人们认为大地能够吸收所有电荷，始终维持稳定，是最终的地考点。虽然有些板子没有接大地，但发电厂是接大地的，板子上的电源最终还是会返回发电厂入地。如果把模拟地和数字地大

　　面积直接相连，会导致互相干扰。不短接又不妥，理由如上有四种方法解决此问题：

　　1、用磁珠连接；磁珠的等效电路相当于带阻限波器，只对某个频点的噪声有显著抑制作用，使用时需要预先估计噪点频率，以便选用适当型号。对于频率不确定或无法预知的情况，磁珠不合。

　　2、用电容连接； 电容隔直通交，易造成浮地。

　　3、用电感连接； 电感体积大，杂散参数多，不稳定。

　　4、用0 欧姆电阻连接； 0 欧电阻相当于很窄的电流通路，能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用（0 欧电阻也有阻抗），这点比磁珠强。

　　②跨接时用于电流回路

　　当分割电地平面后，造成信号最短回流路径断裂，此时，信号回路不得不绕道，形成很大的环路面积，电场和磁场的影响就变强了，容易干扰被干扰。在分割区上跨接0 欧电阻，可以提供较短的回流路径，减小干扰。

　　③配置电路

　　一般，产品上不要出现跳线和拨码开关。有时用户会乱动设置，易引起误会，为了减少维护费用，应用0 欧电阻代替跳线等焊在板子上。空置跳线在高频时相当于天线，用贴片电阻效果好。

　　④其他用途：

　　A、布线时跨线 B、调试测试用 C、临时取代其他贴片器件 D、作为温度补

　　偿器件更多时候是出于EMC 对策的需要。另外，0 欧姆电阻比过孔的寄生电感小，而且过孔还会影响地平面（因为要挖孔）。

　　①做为跳线使用。这样既美观，安装也方便。

　　②在数字和模拟等混合电路中，往往要求两个地分开，并且单点连接。我们可以用一个0欧的电阻来连接这两个地，而不是直接连在一起。这样做的好处就是，地线被分成了两个网络，在大面积铺铜等处理时，就会方便得多。附带提示一下，这样的场合，有时也会用电感或者磁珠等来连接。

　　③做保险丝用。由于PCB上走线的熔断电流较大，如果发生短路过流等故障时，很难熔断，可能会带来更大的事故。由于0欧电阻电流承受能力比较弱（其实0欧电阻也是有一定的电阻的，只是很小而已），过流时就先将0欧电阻熔断了，从而将电路断开，防止了更大事故的发生。有时也会用一些阻值为零点几或者几欧的小电阻来做保险丝。不过不太推荐这样来用，但有些厂商为了节约成本，就用此将就了。

　　④为调试预留的位置。可以根据需要，决定是否安装，或者其它的值。有时也会用*来标注，表示由调试时决定。

　　⑤作为配置电路使用。这个作用跟跳线或者拨码开关类似，但是通过焊接固定上去的，这样就避免了普通用户随意修改配置。通过安装不同位置的电阻，就可以更改电路的功能或者设置地址。

　　0欧的电阻的规格，一般是按功率来分，如1/8瓦，1/4瓦等等。