1.概述

電源濾波器的設計通常可從共模和差模兩方面來考慮。共模濾波器最重要的部分就是共模電感線圈，與差模電感線圈相比，共模電感線圈的一個顯著優(yōu)點在于它的電感值極高，而且體積又小，設計共模電感線圈時要考慮的一個重要問題是它的漏感，也就是差模電感。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。在設計最優(yōu)性能的電感線圈時，這個誤差的影響可能是不容忽視的。

2.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。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。這種效應與線匝間的相對距離和螺旋管芯體的磁導率成正比。共模電感線圈有兩個繞組，這兩個繞組被設計成使它們所流過的電流沿線圈芯傳導時方向相反，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大的間隙，自然就引起磁通“泄漏”，這即是說，磁場在所關心的各個點上并非真正為0。共模電感線圈的漏感是差模電感。事實上，與差模有關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。如果芯體具有差模電感，那么，差模電流就會使芯體內的磁通發(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。

3.共模電感線圈綜述

濾波器設計時，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，因為共模電感線圈可以提供相當大的差模電感。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，在濾波器的設計過程中，共模與差模不應同時進行，而應該按照一定的順序來做。首先，應該測量共模噪聲并將其濾除掉。采用差模抑制網絡（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)，共模電感線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。

4.用LISN原理測量共模電感線圈飽和特性的方法

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絡（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生，此時濾波器效能的降級是意料中的事情。差模抑制網絡（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。當共模電感線圈工作在線性區(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。在線電壓峰值期間，橋式整流器正向導通且傳送充電電流。如果共模電感線圈達到飽和，那么在輸入浪涌增加時，發(fā)射將會增加。如果共模電感線圈達到強飽和，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。這些實驗數據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電感線圈磁芯完全沒有得到恰當的使用，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導通。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。當橋式整流器正向偏置時，在源阻抗、25和LISN共模阻抗之間會產生分壓現(xiàn)象。當橋整流器反向偏置時，在源阻抗、整流橋反偏電容、LISN之間產生分壓現(xiàn)象。當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。當整流橋正向偏置時則對共模濾除沒有影響。由于產生了分壓，固有降級因子的預期值為2左右。實際值的變化相當大，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，正是應用這個原理來減小鎮(zhèn)流器的傳導發(fā)射的。

5.用電流原理測量共模電感線圈和特性的方法

如果測試人員相當謹慎，那么就可以采取類似MIL-STD-461中的測試裝置來檢測共模電感線圈的飽和特性。這個原理的應用如下：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繞組導線對稱性的函數。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期的共模分量值。可用如下兩項技術來解決這一問題：第一，將一只6kHz轉折頻率的高階高通濾波器與示波器串聯(lián)（注意應用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線。為了測量共模輻射，電流探頭應夾在這些載有極小線電流的導線近旁。

6.共模電感線圈內存在的差模與共模磁通

為了快速且淺顯地介紹共模電感線圈的作用，可考慮采用以下論述：“共模電感線圈管芯兩側的磁場相互抵消，因此不存在磁通使管芯飽和。”盡管這種論述對共模電感線圈作用的直覺敘述具體化了，但實質上并非如此。

7.漏感綜述

共模電感線圈能發(fā)揮一定的作用是由于μcm比μdm大好幾個數量級的緣故，因為共模電流通常很小，可以通過使L/D保持在較低值來獲得更小的μdm。為了得到共模電感，同時又要使差模電感最小，最好是采用橫截面積較大的磁芯繞制成多匝線圈。采用較大的螺旋管磁芯，也并非一定要這樣的磁芯，可在共模電感線圈內并入有效的差模電感。因為差模磁通是遠離磁芯（環(huán)形結構）的，因此可能會產生極強的輻射。尤其是濾波器安裝在PCB板上的情況下，這種輻射可以耦合到電源線，使傳導發(fā)射增強。當磁性材料被帶到場內時（例如，環(huán)形磁芯放置在鐵殼里），差模磁導率就可能會顯著地增加，從而由于差模電流而導致磁芯的飽和。

8.無輻射共模電感線圈結構

為了實現(xiàn)有效的濾波器設計，磁通離開磁芯引起的輻射問題必須予以解決。其辦法有是將差模磁通限制在磁性結構物體中（壺形鐵芯），或者是為差模磁通（E形鐵芯）提供一條高磁導率的路徑。

9.壺形鐵芯結構

如果共模電感線圈采用壺形鐵芯結構，那么就需兩個繞軸。壺形鐵芯窗格里的兩組線圈及其產生的磁通路徑。同時也表明了同一結構條件下的差模磁通路徑。

10.E形鐵芯結構

另外還有一種共模電感線圈，它比環(huán)形磁芯線圈更易繞制，但比壺形鐵芯線圈的輻射更厲害，E形鐵芯線圈共模磁通將外部引線上的兩組線圈都聯(lián)系在一起了。為了獲得較高的磁導率，在外部引線上應沒有空氣隙。另一方面，差模磁通將外部引線和中心引線聯(lián)系起來。差模路徑中的磁導率可以通

過使中心引線彼此隔開來取得，中心引線是產生輻射的主要區(qū)域。