【導(dǎo)讀】電源濾波器的設(shè)計通?？蓮墓材：筒钅煞矫鎭砜紤]。共模濾波器最重要的部分就是共模扼流圈，與差模扼流圈相比，共模扼流圈的一個顯著優(yōu)點在于它的電感值極高，而且體積又小，設(shè)計共模扼流圈時要考慮的一個重要問題是它的漏感，也就是差模電感。
共模電感和差模電感
通常，計算漏感的辦法是假定它為共模電感的1%，實際上漏感為共模電感的 0.5% ～ 4%之間。在設(shè)計最優(yōu)性能的扼流圈時，這個誤差的影響可能是不容忽視的。
漏感的重要性
漏感是如何形成的呢？緊密繞制，且繞滿一周的環(huán)形線圈，即使沒有磁芯，其所有磁通都集中在線圈“芯”內(nèi)。但是，如果環(huán)形線圈沒有繞滿一周，或者繞制不緊密，那么磁通就會從芯中泄漏出來。這種效應(yīng)與線匝間的相對距離和螺旋管芯體的磁導(dǎo)率成正比。共模扼流圈有兩個繞組，這兩個繞組被設(shè)計成使它們所流過的電流沿線圈芯傳導(dǎo)時方向相反，從而使磁場為0。如果為了安全起見，芯體上的線圈不是雙線繞制，這樣兩個繞組之間就有相當(dāng)大的間隙，自然就引起磁通“泄漏”，這即是說，磁場在所關(guān)心的各個點上并非真正為0。共模扼流圈的漏感是差模電感。事實上，與差模有關(guān)的磁通必須在某點上離開芯體，換句話說，磁通在芯體外部形成閉合回路，而不僅僅只局限在環(huán)形芯體內(nèi)。
如果芯體具有差模電感，那么，差模電流就會使芯體內(nèi)的磁通發(fā)生偏離零點，如果偏離太大，芯體便會發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，使共模電感基本與無磁芯的電感一樣。結(jié)果，共模輻射的強度就如同電路中沒有扼流圈一樣。差模電流在共模環(huán)形線圈中引起的磁通偏離可由下式得出：
式中，是芯體中的磁通變化量，Ldm是測得的差模電感，是差模峰值電流，n為共模線圈的匝數(shù)。
由于可以通過控制B總，使之小于B飽和，從而防止芯體發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，有以下法則：
式中，是差模峰值電流，Bmax是磁通量的最大偏離，n是線圈的匝數(shù)，A是環(huán)形線圈的橫截面積。Ldm是線圈的差模電感。
共模扼流圈的差模電感可以按如下方法測得：將其一引腿兩端短接，然后測量另外兩腿間的電感，其示值即為共模扼流圈的差模電感。
共模扼流圈綜述
濾波器設(shè)計時，假定共模與差模這兩部分是彼此獨立的。然而，這兩部分并非真正獨立，因為共模扼流圈可以提供相當(dāng)大的差模電感。這部分差模電感可由分立的差模電感來模擬。
為了利用差模電感，在濾波器的設(shè)計過程中，共模與差模不應(yīng)同時進行，而應(yīng)該按照一定的順序來做。首先，應(yīng)該測量共模噪聲并將其濾除掉。采用差模抑制網(wǎng)絡(luò)（Differential Mode Rejection NETWORK），可以將差模成分消除，因此就可以直接測量共模噪聲了。如果設(shè)計的共模濾波器要同時使差模噪聲不超過允許范圍，那么就應(yīng)測量共模與差模的混合噪聲。因為已知共模成分在噪聲容限以下，因此超標(biāo)的僅是差模成分，可用共模濾波器的差模漏感來衰減。對于低功率電源系統(tǒng)，共模扼流圈的差模電感足以解決差模輻射問題，因為差模輻射的源阻抗較小，因此只有極少量的電感是有效的。
盡管少量的差模電感非常有用，但太大的差模電感可以使扼流圈發(fā)生磁飽和?？筛鶕?jù)公式（2）作簡單計算來避免磁飽和現(xiàn)象的發(fā)生。
用LISN原理測量共模扼流圈飽和特性的方法
測量共模線圈磁芯（整體或部分）的飽和特性通常是很困難的。通過簡單的試驗可以看出共模濾波器的衰減在多大程度上受由60Hz編置電流引起的電感減小量的影響。進行此項測試需要一臺示波器和一個差模抑制網(wǎng)絡(luò)（DMRN）。首先，用示波器來監(jiān)測線電壓。按如下方法從示波器的A通道輸入信號，將示波器的時間基準(zhǔn)置為2ms/div，然后將觸發(fā)信號加在A通道上，在交流電壓達到峰值時會有線電流產(chǎn)生，此時濾波器效能的降級是意料中的事情。差模抑制網(wǎng)絡(luò)（DMRN）的輸入端連接到LISN，輸出端用50的阻抗進行匹配且與示波器的B通道相連。當(dāng)共模扼流圈工作在線性區(qū)時，在輸入電流波動期間，B通道監(jiān)測到的發(fā)射增加值不超過6—10DB。圖1為此測試在示波器上顯示的結(jié)果，上面的曲線為共模發(fā)射；下面的曲線為線電壓。在線電壓峰值期間，橋式整流器正向?qū)ㄇ覀魉统潆婋娏鳌?/div>
圖1：示波器上顯示的由于60Hz充電電流引起的共模扼流圈的降級
如果共模扼流圈達到飽和，那么在輸入浪涌增加時，發(fā)射將會增加。如果共模扼流圈達到強飽和，發(fā)射強度與不加濾波器時的情況是一樣的，也就是說很容易達到40dB以上。
這些實驗數(shù)據(jù)可用其他方法來解釋。發(fā)射最小值（線電流為0的時候）是濾波器無偏置電流時表現(xiàn)出來的效果。峰值發(fā)射與最小發(fā)射的比率，即降級因子，用來衡量線電流偏移量對濾波器實際效果的影響。降級因子較大表明共模扼流圈磁芯完全沒有得到恰當(dāng)?shù)氖褂?，較好的濾波器的“固有降級因子”差不多在2—4之間。它是由兩種現(xiàn)象產(chǎn)生的：第一，60Hz充電電流引起的電感減?。ㄈ缟纤觯?；第二，橋式整流器的正向及反向?qū)?。共模發(fā)射的等效電路由一個阻抗約為200PF的電壓源、二極管阻抗和LISN的共模阻抗組成，如圖2所示。當(dāng)橋式整流器正向偏置時，在源阻抗、25和LISN共模阻抗之間會產(chǎn)生分壓現(xiàn)象。當(dāng)橋整流器反向偏置時，在源阻抗、整流橋反偏電容、LISN之間產(chǎn)生分壓現(xiàn)象。當(dāng)二極管整流橋反向偏置電容較小時，對共模濾除有一定效果。當(dāng)整流橋正向偏置時則對共模濾除沒有影響。
圖2：共模輻射等效電路
由于產(chǎn)生了分壓，固有降級因子的預(yù)期值為2左右。實際值的變化相當(dāng)大，主要取決于源阻抗和二極管整流橋反向偏置電容的實際大小。在Flugan發(fā)明的一個電路中，正是應(yīng)用這個原理來減小鎮(zhèn)流器的傳導(dǎo)發(fā)射的。
用電流原理測量共模扼流圈飽和特性的方法
如果測試人員相當(dāng)謹(jǐn)慎，那么就可以采取類似MIL-STD-461中的測試裝置來檢測共模扼流圈的飽和特性。這個原理的應(yīng)用如下：測試時采用兩只電流探頭，低頻探頭監(jiān)測線電流，高頻探頭僅測量共模發(fā)射電流。線電流監(jiān)視器作為觸發(fā)源。不過，使用電流探頭的一個隱患是差模電流衰減是管芯內(nèi)繞組導(dǎo)線對稱性的函數(shù)。如果精心合理安排繞線布局的話，30DB左右的差模電流衰減是能夠得到的。即使達到這個衰減值，測得的差模分量也可能超過預(yù)期的共模分量值。可用如下兩項技術(shù)來解決這一問題：第一，將一只6kHz轉(zhuǎn)折頻率的高階高通濾波器與示波器串聯(lián)（注意應(yīng)用50的終端阻抗進行匹配）。第二，在每只10μF的電容與電源總線之間接入一根導(dǎo)線。為了測量共模輻射，電流探頭應(yīng)夾在這些載有極小線電流的導(dǎo)線近旁。
共模扼流圈內(nèi)存在的差模與共模磁通
為了快速且淺顯地介紹共模扼流圈的作用，可考慮采用以下論述：“共模扼流圈管芯兩側(cè)的磁場相互抵消，因此不存在磁通使管芯飽和。”盡管這種論述對共模扼流圈作用的直覺敘述具體化了，但實質(zhì)上并非如此。
參考以下圍繞麥克斯韋方程所進行的討論：
假設(shè)電流密度J產(chǎn)生磁場H，那么就可得出結(jié)論：附近的另一個電流不會抵消或阻止磁場或者是由此而產(chǎn)生的電場。
同樣一個相鄰的電流可以導(dǎo)致磁場路徑的改變。
在環(huán)形共模電感的特殊場合中，每條引線中的差模電流密度可假定是相等的，且方向相反。所以由此而產(chǎn)生的磁場必定在環(huán)形磁芯周邊上的總和為0，而在其外部則不為0！
磁芯的作用就好象它在線圈繞組的間隙處裂為兩半時所表現(xiàn)出來的效果一樣。每個繞組在環(huán)形線圈一半的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生磁場，意指穿過空氣的磁場必定會形成自封閉回路，下圖是環(huán)形磁芯和差模電流磁路的示意圖。
