電感測量

電源濾波器的設(shè)計(jì)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(diǎn)在于它的電感值極高，而且體積又小，設(shè)計(jì)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。通常，計(jì)算漏感的辦法是假定它為共模電感的1%，實(shí)際上漏感為共模電感的 0.5% ~ 4%之間。在設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)上并非真正為0。共模扼流圈的漏感是差模電感。事實(shí)上，與差模有關(guān)的磁通必須在某點(diǎn)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(diǎn)，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(qiáng)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。

濾波器設(shè)計(jì)時，假定共模與差模這兩部分是彼此獨(dú)立的。然而，這兩部分并非真正獨(dú)立，因?yàn)楣材６罅魅梢蕴峁┫喈?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(jì)過程中，共模與差模不應(yīng)同時進(jìn)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(jì)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?yàn)橐阎材３煞衷谠肼暼菹抟韵?，因此超?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?yàn)椴钅］椛涞脑醋杩馆^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(jì)算來避免磁飽和現(xiàn)象的發(fā)生。

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(yàn)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(jìn)行此項(xiàng)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(dá)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(jìn)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?/p>

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(dá)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(dá)到強(qiáng)飽和，發(fā)射強(qiáng)度與不加濾波器時的情況是一樣的，也就是說很容易達(dá)到40dB以上。

這些實(shí)驗(yàn)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(shí)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小(如上所述);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(shí)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(shí)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。

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(dá)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?？捎萌缦聝身?xiàng)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(jìn)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。

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(shí)質(zhì)上并非如此。

* 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!

磁芯的作用就好像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，圖3是環(huán)形磁芯和差模電流磁路的示意圖。

圖3 共模環(huán)形磁芯中差模磁路示意圖

共模扼流圈能發(fā)揮一定的作用是由于μcm比μdm大好幾個數(shù)量級的緣故，因?yàn)楣材ｋ娏魍ǔ：苄?，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，可在共模扼流圈內(nèi)并入有效的差模電感。因?yàn)椴钅４磐ㄊ沁h(yuǎn)離磁芯(環(huán)形結(jié)構(gòu))的，因此可能會產(chǎn)生極強(qiáng)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(dǎo)發(fā)射增強(qiáng)。當(dāng)磁性材料被帶到場內(nèi)時(例如，環(huán)形磁芯放置在鐵殼里)，差模磁導(dǎo)率就可能會顯著地增加，從而由于差模電流而導(dǎo)致磁芯的飽和。

為了實(shí)現(xiàn)有效的濾波器設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)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(dǎo)率的路徑。

如果共模扼流圈采用壺形鐵芯結(jié)構(gòu)，那么就需兩個繞軸。圖4示意出了壺形鐵芯窗格里的兩組線圈及其產(chǎn)生的磁通路徑。同時也表明了同一結(jié)構(gòu)條件下的差模磁通路徑。

圖4 共模壺形鐵芯電感中的磁路

注意第一組，所有的磁通均在鐵芯內(nèi)部。正是由于這種結(jié)構(gòu)，從鐵芯外表面到其中心垂直隔板間的空氣隙長度決定了純磁阻的大小。使用磁導(dǎo)率大于10的墊圈后，就可以通過改變墊圈(其值等于空氣隙長度)內(nèi)外半徑的大小來控制純磁阻。壺形鐵芯的差模電感、共模扼流圈可按如下公式計(jì)算:

具體尺寸如圖5所示。

圖5 壺形鐵芯計(jì)算差模電感時的具體尺寸

減小差模路徑上的磁阻將使差模電感增加。使用這種共模扼流圈的最顯著的優(yōu)點(diǎn)就在于壺形鐵芯具有固有的"自屏蔽"特性。

另外還有一種共模扼流圈，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形鐵芯線圈如圖6所示。圖中表明，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(dǎo)率，在外部引線上應(yīng)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(dǎo)率可以通過使中心引線彼此隔開來取得，中心引線是產(chǎn)生輻射的主要區(qū)域。