emi滤波器设计：共模电感绕法和饱和定义

我们从一个简单的例子开始

这是一个共模电感，如下测量，你觉得测得的电感量是多少？

可能有一部分会答错，下面来说明一下：

我们知道共模电感的绕法有两种，1 双线并绕，2 两组线圈分开绕。

正确的答案应该是 10mH，下图所示。一楼所示的测量和如下测量一致。如仍有怀疑，可找个电感测量一下便知。

可以理解成两个电感并联，事实上就是两个电感并联，计算结果和测量结果是一样的。

两种绕法有何特点？

① 双线并绕

◆有较小的差模电感

◆有较高的耦合电容

◆有较小的漏感

② 两组线圈分开绕

◆有较小的耦合电容

◆有较高的漏感

因此要根据实际应用情况选择绕法。

再看看这样测量出来的电感量是多少？为什么？

有的人可能会回答 0mH，有的人可能会回答 20mH，有的人可能会回答 10mH 。

不过很遗憾都不是，正确的答案 L=40mH 。如下图，按右手法则已标上电流方向和磁通方向，从图中可以看出两个线圈的磁通的方向是相同的，也就是说磁通是增加的不是相互抵消。

根据磁环电感量计算公式

式中：N = 圈数， Ac = 截面积， 分母 Mpl = 磁路长度。

注意 N 有平方的，一组线圈的圈数是 N， 则两组线圈的圈数是 2N，将 2N 代入到公式中分子有 4N²， 也就是说电感量为 4 倍。本例则为 40 mH。

再看看这样测量得到的电感量应该是多少？这样测得的是什么电感量？

这个估计很多人都知道是 0mH，没错，理想状态下就是 0mH。实际共模电感总有漏感、或差模电感成份，因此按此连接测量得到的数值就是漏感或者叫差模电感。共模电感中漏感和差模电感是一回事，可以称漏感也可称差模电感。一般做得好点的漏感在1-2%左右。但有时候会特意将差模电感和共模电感做在一起，这时候的差模电感量就按实际需要做了。

01共模电感 “Z” 字形符号代表什么？

共模电感的这个符号应该很常见吧，但是符号中的 “Z” 一样的符号该怎么读？估计很少有人知道。

Z= Zorro （佐罗），很厉害的一个人物。共模电感也叫 Zorro 电感。英文中共模电感的叫法比较长 Common Mode Choke，或 Common Mode Inductor，也称 Zerro Inductor，有时简称为 Zerro。

举例：Fairchild 的关于滤波器的文章中也是这么用的，如图：

共模电感会饱和吗？

共模电感会饱和吗？答案是非常难饱和，通常情况下无需担心饱和问题，为什么呢？我们先来看看差模电流流过共模电感的情况。如图，差模电流电流电感时其磁通是相互抵消的，也就是说，在磁路里基本没有磁通产生，差模电流流过时没有阻力，没有损耗，简单说，一个额定电流 5A 的共模电感流过 100A 的差模电流也不会饱和，当然前提是导线够粗。

共模电流的情况相对复杂一点，百度了一下发觉都是抄来抄去，都是笼统的说阻抗增加，但并没有说明为何阻抗增加，基本没什么参考价值。

我们按如下方法分析一下：

假设一对共模电流流向如下图所示，两个滤波电感各自独立，没有磁通上的联系，这样能不能滤波共模电流呢？当然也能，相当于差模电感，各自为战，效果差一点。

于是我们讲两个电感合二为一，如图，这样会发生什么情况呢？

显然，流过 L1 的共模电流和流过 L2 的共模电流产生磁通相互叠加，总磁通增加。L1 和 L2 除了自感以外还有互感，L1 的电感量除了本身的电感外还要加上 L2 的互感，反之 L2 也一样。

这样情况又要分几种

1）L1 的磁通会使 L2 产生互感电动势，互感电动势的方向总是要阻碍磁通的增加，于是在 L2 中产生和共模电流方向相反的电流，L2 的共模电流被抵消，反之，L1 对 L2 的互感电流也是与 L1 的共模电流方向相反，也就是说 L1 的共模电流被抵消。如下图所示，L2 中的互感电流与 L2 的共模电流方向相反的：

2）电感量计算，如图：

根据自感公式：

则 L1 的有效电感为：

设：

于是有：

即共模电感量为绕组的两倍。

对于差模电流有：

于是，差模电感

即：

也就是说差模电感量为0。

共模和差模的概念

共模和差模的概念：这个很好理解，看一下图便知。

共模干扰来之何处？共模干扰的频率如何？1MHz 以上还是 5MHz 以上？如图：

共模干扰由 MOS 管的高 di/dt 引起，经过变压器间的电容 Cp 或杂散电容 C2 传到副边，以 Cp 为主，C2 基本可忽略。我们知道 Cp 很小，因此能传到副边的干扰频率一定很高，低频干扰信号过不去，因此 EMI 测试中的高频部分基本就是共模干扰。究竟多少 MHz 与变压器的结构有很大的关系，层间电容大了则可能 1MHz 的共模能过去，层间电容小了，则只能是更高的频率能过去，比如 5MHz 以上。

由此可见，变压器的绕制对 EMI 有不可忽略的作用，并且需要在漏感和绕组电容中折中考虑，漏感小了则初次级的电容一定大了，初次级的电容小了则漏感大了，初次级电容小则有利于抑制共模干扰，但漏感大了会在给原边的 MOS 管带来压力。

如何既能减小原付边电容又保持漏感小呢，目前看来=只有一个办法，在原付边件加屏蔽。简单说，在原边和付边之间一圈不到的铜箔，铜箔不可绕满，不可重叠，留 1mm 左后的空隙。实测效果不错的，但变压器绕制就复杂了。

我们来认识一种新的电容，其实也不是新的只不过估计很少有人知道，很少有人用。

如图，称为 Feedthrough 电容，专门用于 EMI 抑制电路，其抑制高频干扰效果相当好。

其内部等效结构如图

其在电路中的符号为：

其特点为，低 ESR，低 ESL，高谐振频率，因此专用于 EMI 抑制。其参数等详细资料可网上搜索厂家的说明书。

以下的图应足够能说说明这个电容。

从上面的做图可以看出这种电容的内部其实是导线（实际有电感），导线外面通过做成电容形式，并把电容一端接地，因此低频或直流信号完全不受阻，但高频则会通过电容接地。由于该电容没有引脚，因此 ESL（等效串联电感）很小，这个至关重要。

为什么电容的谐振频率要高？

如图，所有电容的 ESR 和阻抗曲线都有相似形状，只是 ESR 或谐振点的位置不一样，图中谐振点左面电容呈容性，即具有电容的特性。但是工作频率高了以后，电容的容性越来越小，过了谐振点后，电容的容性便消失，于是电容变成了电感。可想而知，本来在电路里放了一个电容，结果变成了电感，那是什么后果？

认识一下典型的滤波电路，如图所示：

共模滤波器和差模滤波器对差模信号滤波效果对比，差模滤波器在滤出叠加在信号上的噪声后导致波形失真。

但使用共模滤波器滤出信号上的噪声后波形没有失真。

因此，对于数字信号如有噪声需滤除采用共模滤波器比较合适。

说滤波器就不能不说滤波器的阶数，谈到滤波器我们可能会听到或看到滤波器的阶数，那么什么是滤波器的阶数呢？我们看以下最简单的 RC 滤波器，那是几阶？

答案是：一阶，英文叫 First Order

那这种呢？

还有这种滤波器是几阶的呢？

答案都是二阶，英文叫 Second Order

这样说应该明白什么是滤波器的阶数了吧？ 简单讲，有多少个储能元件就是几阶，RC 滤波器只有一个电容则是一阶，LC 滤波器有两个储能元件则是二阶，与前后关系无关。

如下最常见的 PI 滤波器就是三阶的了

那么一阶、二阶、三阶滤波器性能上有何区别？

可以滤什么频段是电感电容取值问题，但不同阶数的滤波器还有更重要的特性，就是衰减信号的斜率问题。

我们先弄清几个概念：

① 十倍频，这个应该不难理解，从数轴上看，十倍频就是频率增加10倍，比如 2 到 20Hz 就是一个十倍频，那么 50 到 5000Hz 是几个十倍频呢？

我们以一阶和二阶滤波器的衰减曲线为例，见图

图中横坐标是频率，用对数表示，纵坐标表示增益，单位为 dB，注意图中的圆点处，右面一条是一阶滤波器的衰减曲线，圆点从1 到 2 频率增加了十倍，从纵坐标中可以看到增益下降了 20dB，通常称为10倍频程衰减 20dB，左面一条曲线是二阶滤波器，不难看出10倍频程衰减 40dB。

由此可知，滤波器每增加一阶，十倍频程衰减增加 20dB，如下图所示。

编辑：hfy