電感器的分類(lèi)

　　電感器以其應(yīng)用環(huán)境、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、形狀、用途等可分為不同種類(lèi)，通常電感器設(shè)計(jì)是以用途及應(yīng)用環(huán)境作為出發(fā)點(diǎn)而開(kāi)始的。在開(kāi)關(guān)電源中以其用途不同，電感器可分為：

　　共模濾波電感器(Common Mode Choke)

　　常模濾波電感器(Normal Mode Choke)

　　功率因數(shù)校正電感(Power Factor Correction - PFC Choke)

　　交鏈耦合電感器(Coupler Choke)

　　儲(chǔ)能平波電感(Smooth Choke)

　　磁放大器線圈(MAG AMP Coil)

　　共模濾波電感器因要求兩線圈具有相同的電感值，相同的阻抗等，故該類(lèi)電感均采用對(duì)稱(chēng)性設(shè)計(jì)，其形狀多為T(mén)OROID、UU、ET等形狀。

　　共模電感的工作原理

　　共模濾波電感器又稱(chēng)共模扼流線圈(以下簡(jiǎn)稱(chēng)共模電感或CM.M.Choke)或Line Filter。

　　在開(kāi)關(guān)電源中，由于整流二極管和濾波電容以及電感中的電流或電壓急劇變化，產(chǎn)生電磁干擾源(noise)，同時(shí)輸入電源中也存在工頻以外的高次諧波噪聲，這些干擾若不加以扼制，將對(duì)負(fù)載設(shè)備或開(kāi)關(guān)電源本身造成損害，因此若干國(guó)家之安規(guī)機(jī)構(gòu)對(duì)電磁干擾(EMI)發(fā)射量均作出了相應(yīng)的管制規(guī)定。當(dāng)前開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率日趨高頻化EMI也隨之日益嚴(yán)重，所以開(kāi)關(guān)電源中均須設(shè)置EMI濾波器，EMI濾波器需對(duì)常模及共模噪聲均作出相應(yīng)的抑制，以達(dá)到某一規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。常模濾波器負(fù)責(zé)濾出輸入或輸出端兩根線間之差模干擾信號(hào)，共模濾波器負(fù)責(zé)濾出兩條入線之共模干擾信號(hào)。實(shí)際共模電感因其工作環(huán)境不同，又可分為AC CM.M.CHOKE;DC CM.M.CHOKE和SIGNAL CM.M.CHOKE三種，在設(shè)計(jì)或選用時(shí)應(yīng)于以區(qū)分。但其工作原理完全相同，工作原理如圖(1)所示：

　　圖1共模電感的作用

　　如圖所示，在同一磁環(huán)上繞上兩組方向相反的線圈，據(jù)右手螺旋管定則可知，當(dāng)在輸入端A、B兩端加上極性相反，信號(hào)幅值相同的差模電壓時(shí)，有實(shí)線所示的電流i2，在磁芯中產(chǎn)生實(shí)線所示的磁通Φ2，只要保證兩繞組完全對(duì)稱(chēng)，則磁芯中兩不同方向之磁通相互抵消�？偞磐榱�，線圈電感幾乎為零，對(duì)常模信號(hào)無(wú)阻抗作用。若在輸入端A、B兩端加上極性相同，幅值相等的共模信號(hào)時(shí)，有虛線所示的電流i1，在磁芯中產(chǎn)生虛線所示的磁通Φ1，則磁芯中磁通有相同的方向而互相加強(qiáng)，使每一線圈的電感值為單獨(dú)存在時(shí)的兩倍，而XL =ωL，因此，此一繞法的線圈對(duì)共模干擾有很強(qiáng)的抑制作用。

　　實(shí)際的EMI濾波器由L、C組合而成，設(shè)計(jì)時(shí)也常常將差模與共模抑制電路組合在一起(如圖2)，因此，設(shè)計(jì)時(shí)需依據(jù)濾波電容的大小以及所需符合的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)作出電感值的決定。

　　圖中L1、L2、C1構(gòu)成常模濾波器，L3、C2、C3構(gòu)成共模濾波器。

　　圖2 EMI濾波器電路

　　在設(shè)計(jì)共模電感之前，首先要考察線圈須行符合以下原則：

　　1 >正常工作狀態(tài)下，不致因通電電源電流而造成磁芯飽和。

　　2 >對(duì)高頻干擾信號(hào)要有足夠大的阻抗，且有一定的頻寬，而對(duì)工作頻率之信號(hào)電流有小的阻抗。

　　3 >電感的溫度系數(shù)應(yīng)小，而分布電容宜小。

　　4 >直流電阻應(yīng)盡量小。

　　5 >感應(yīng)電感應(yīng)盡量大，電感值需穩(wěn)定。

　　6 >繞組間之絕緣性須滿足安規(guī)要求。

　　共模電感器之設(shè)計(jì)步驟：

　　Step 0 SPEC取得：EMI允許級(jí)別，應(yīng)用位置。

　　Step 1電感值確定。

　　Step 2 core材質(zhì)及規(guī)格確定。

　　Step 3繞組匝數(shù)及線徑確定。

　　Step 4打樣

　　Step 5測(cè)試

　　設(shè)計(jì)舉例

　　圖3實(shí)際EMI濾波器

　　Step 0 : 如圖3所示EMI濾波電路

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

　　Type : Ac Common Mode Choke

　　Step 1：電感(L)確定：

　　由電路圖可知共模信號(hào)由L3和C2、C3組成的共模濾波器抑制，實(shí)際L3與C2和C3構(gòu)成兩路LC串聯(lián)電路，分別吸收L和N在線的噪聲。只要確定濾波電路的截止頻率，也已知電容容量C，則可以下式求出電感L。

　　fo= 1/(2π√LC)L → 1/(2πfo)2C

　　通常EMI測(cè)試頻寬如下：

　　傳導(dǎo)干擾：150KHZ →30MHZ(注：VDE標(biāo)準(zhǔn)10KHZ - 30M)

　　輻射干擾：30MHZ 1GHZ

　　實(shí)際的濾波器無(wú)法達(dá)到理想濾波器那樣陡峭的阻抗曲線，通�？蓪⒔刂诡l率設(shè)定在50KHZ左右。在此，假設(shè)f o = 50KHZ，則

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

　　L1、L2、C1組成(低通)常模濾波器，線間電容有1.0uF，則常模電感為：

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

　　如此，可得到理論要求的電感值，若想獲得更低的截止頻率fo，則可進(jìn)一步加大電感值，截止頻率一般不低于10KHZ。理論上電感量越高對(duì)EMI抑制效果越好，但過(guò)高的電感將使截止頻率更低，而實(shí)際的濾波器只能做到一定寬帶，也就使高頻噪聲的抑制效果變差(一般開(kāi)關(guān)電源的噪聲成分約為5 ~10MHZ間，但也有超過(guò)10MHZ之情形)。另外，電感量愈高，則繞線匝數(shù)愈多，或CORE之ui越高，如此將造成低頻阻抗增加(DCR變大)。匝數(shù)增加使分布電容也隨之增大(如圖4)，使高頻電流全部經(jīng)此電容流通。過(guò)高的ui使CORE極易飽和，同時(shí)制作也極困難，成本也較高。

　　圖4有分布電容Cd之等效電路圖

　　Step 2 CORE材質(zhì)及SIZE確定

　　從前述設(shè)計(jì)要求中可知，共模電感器需不易飽和，如此就需要選擇低B - H角形比之材料，因需要較高的電感值，磁芯的ui值也就要高，同時(shí)還必須有較低的磁芯損耗和較高的Bs值，符合上述要求之CORE材質(zhì)，目前以Mn - Zn鐵氧體材料CORE為合適。

　　COEE SIZE在設(shè)計(jì)時(shí)并無(wú)一定的規(guī)定，原則上只要符合所需電感量，且在允許的低頻損耗范圍內(nèi)，以所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品體積小化即可。

　　因此，CORE材質(zhì)及SIZE提取應(yīng)以成本、允許損耗、安裝空間等作考察。共模電感常用CORE之ui約在2000 ~ 10000之間。Iron Powder Core也有低的鐵損，高的Bs和較低的B - H角形比率，但其ui較低，故一般不被應(yīng)用于共模電感，而該類(lèi)磁芯卻是常模電感器之優(yōu)選材料。

　　Step 3確定匝數(shù)N和線徑dw

　　首先確定CORE之規(guī)格，如本例采用T18*10*7、A10、AL = 8230±30%，則：

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

　　線徑以電流密度3 ~ 5A / mm2為選擇原則，若空間允許可選擇盡量低的電流密度。假設(shè)本例輸入電流I i = 1.2A，取J = 4 A / mm2

　　則Aw = 1.2 / 4 = 0.3 mm2 Φ0.70 mm

　　實(shí)際的共模電感還必需通過(guò)實(shí)做樣品進(jìn)行測(cè)試，方可確認(rèn)設(shè)計(jì)之可靠性，因?yàn)橹谱鞴に嚨牟町愐矊?dǎo)致電感參數(shù)的差異而影響濾波效果，如分布電容的增加，將使高頻噪聲更易傳遞，兩繞組的不對(duì)稱(chēng)性，使兩組感量差異變大，對(duì)常模信號(hào)形成一定阻抗。