共模濾波器

采用鐵氧體磁心，雙線并繞。 低差模噪聲信號抑制干擾源，在高速信號中難以變形。 雜訊抑制對策佳，高共模噪音抑制和低差模噪聲信號抑制。

共模濾波器設(shè)計(jì)相對較簡單，包括共模電容，不平衡變壓器或共模電感。共模電容將兩個(gè)輸入線的共模電流旁路到大地，共模電感呈現(xiàn)一個(gè)平衡阻抗，也就是說，電源線和地線中阻抗相等，這個(gè)阻抗對共模噪聲呈現(xiàn)阻抗特性。

抑制電子設(shè)備 EMI 噪音。 DVC，STB 的 IEEE 1394 線路。 液晶顯示面板，低壓微分信號。 個(gè)人電腦及外圍設(shè)備的 USB線路。

國產(chǎn)彩色電視機(jī)中共模濾波器外形及電原理圖如圖所示。

是消除開關(guān)電源特有的"開關(guān)干擾"，以保證電視機(jī)自身和電網(wǎng)中的其它設(shè)備免除干擾。共模濾波電路如圖所示。

選擇共模濾波器的元件值不需要很復(fù)雜的過程?？墒褂脴?biāo)準(zhǔn)過濾器排列來取得相對簡單和直觀的設(shè)計(jì)過程，雖然這些排列可能經(jīng)過修改以使用預(yù)先定義好的元件值。

線路濾波器防止在電子設(shè)備和AC線路之間產(chǎn)生過多噪音;一般而言，重點(diǎn)還是對AC線路的保護(hù)。在AC線路(通過全阻抗匹配電路)和(噪音)電源轉(zhuǎn)換器之間使用共模濾波器的情況。共模噪音(噪音在接地的兩條線路上同時(shí)產(chǎn)生)的運(yùn)動方向是從負(fù)載端進(jìn)入濾波器，這樣兩個(gè)線路共有的噪音得到很大衰減。最后，濾波器加到AC線路(通過全阻抗匹配電路)上的輸出小到可以忽略不計(jì)。

設(shè)計(jì)共模濾波器必須設(shè)計(jì)兩個(gè)相同的差動濾波器。其中每個(gè)濾波器分別對應(yīng)兩極的線路， 而每一邊的感應(yīng)器分別耦合一個(gè)磁芯。

對于差動輸入電流(從A到B的輸入是沿L1，從B到A是沿L2)，兩個(gè)感應(yīng)器之間的耦合凈磁通量為0。

任何差動信號引起的自感應(yīng)是兩個(gè)濾波器耦合不好引起的。濾波器作為獨(dú)立元件工作，其漏感對差動信號做出響應(yīng):漏感衰減了差動信號。

當(dāng)感應(yīng)器L1和L2收到接地的同一電極的相同信號，它們都會在共用的磁芯中產(chǎn)生一個(gè)非零的凈通量。兩個(gè)感應(yīng)器于是作為獨(dú)立元件工作，其共同的自感應(yīng)對共同的差動信號做出響應(yīng):共同的自感應(yīng)衰減了共同的差動信號。

一階濾波器設(shè)計(jì)

最簡單和最廉價(jià)的濾波器就是一階濾波器。這類濾波器使用一個(gè)電抗性元件來存儲一定頻段的能量，與此同時(shí)，其并不把能量傳送到負(fù)載。就低通共模濾波器而言，采用的電抗性元件是共模扼流圈。

為一階低通濾波器選擇扼流圈時(shí)應(yīng)多加注意，因?yàn)檫x取的值遠(yuǎn)大于典型的或最小的電感值會限制扼流圈的有效衰減頻段。

二階濾波器設(shè)計(jì)

二階濾波器采用兩個(gè)電抗性元件， 這種結(jié)構(gòu)安排較一階濾波器而言，具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):a) 理想地，二階濾波器在截止頻率之上提供每倍頻程12dB 的衰減(是一階濾波器的四倍);b) 在電感諧振頻點(diǎn)之上可以具有更大的衰減。

為獲得截止頻點(diǎn)(Wc)恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，二階濾波器的設(shè)計(jì)要求比一階濾波器更為嚴(yán)格。但是，其對更高的頻率上的關(guān)注度有所降低。 對于高階濾波器而言，其設(shè)計(jì)過程所需要關(guān)注的關(guān)鍵因素之一是拐角頻率的衰減特性。在二階濾波器的設(shè)計(jì)中，阻尼因子通常用希臘字母ζ表示)既描述了拐角頻率處的增益也描述了濾波器的時(shí)域響應(yīng)，是表達(dá)上述關(guān)鍵因素特性的重要表征特征。

三階濾波器設(shè)計(jì)

三階濾波器理想地在截止頻率處產(chǎn)生每倍頻程18dB 的衰減(如果三個(gè)拐角頻率并不是同步則會有多個(gè)截止頻率點(diǎn))，這是這種高階濾波器最明顯的特征。

三階濾波器最主要的缺點(diǎn)在于成本高，因?yàn)槠洳捎昧巳齻€(gè)電抗性的元件。高于三階以上的濾波器通常費(fèi)用太昂貴，故在實(shí)際生產(chǎn)中一般不予考慮。

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(gè)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(shí)要考慮的一個(gè)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(shí)，這個(gè)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(gè)繞組，這兩個(gè)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)，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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)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(shí)會有線電流產(chǎn)生，此時(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)候)是濾波器無偏置電流時(shí)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)ā９材０l(fā)射的等效電路由一個(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，對共模濾除有一定效果。當(dāng)整流橋正向偏置時(shí)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(gè)電路中，正是應(yīng)用這個(gè)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(gè)原理的應(yīng)用如下:測試時(shí)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(gè)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(gè)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(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(gè)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(gè)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(shí)所表現(xiàn)出來的效果一樣。每個(gè)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(gè)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(shí)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(shí)(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(gè)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(shí)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(shí)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。