【技術(shù)干貨】共模電感的應用分類(lèi)與選型

磁性元件的一種最常見(jiàn)的形式就是電感，電感具有一定的感值因而隨著(zhù)頻率的增加其阻抗也會(huì )隨之增大，這點(diǎn)單獨來(lái)看就可以作為一個(gè)一階高頻濾波器；當我們討論的濾波對象由單一的電流通路(loop或者circuit – 回路)轉變?yōu)閮蓷l或者更多條時(shí)，就需要至少在每條通路上放置一個(gè)電感才能達到同樣的高頻濾波效果 – 這點(diǎn)在實(shí)際的磁性元件上有非常簡(jiǎn)單而巧妙的設計剛好能滿(mǎn)足，也即我們這里要談到的共模電感(common mode choke)，為什么呢?

因為當通路是多條時(shí)（比如最常見(jiàn)的兩條），可以利用同向電流產(chǎn)生的磁通“共享”給另外一條電流通路，使其等效獲得額外的阻抗，也即常說(shuō)的(磁)耦合。由此，只需要在一個(gè)磁芯上繞制兩個(gè)相互耦合的線(xiàn)圈繞組，就可以達到比使用兩個(gè)單獨電感更好的濾波效果。

以上引出了共模電感基本的功能特性，也即濾波。

那么，首先需要區別開(kāi)同樣需要利用耦合工作的變壓器和共模電感，因為濾波是對線(xiàn)路上的噪聲進(jìn)行抑制（或者吸收，后續詳細介紹），從勵磁方向來(lái)看是共模的，但是變壓器是對代表著(zhù)功率的電壓激勵電流進(jìn)行傳遞，是差模的，因此類(lèi)似安規電容的接法，共模電感需要處于Y接法（經(jīng)地回路或者經(jīng)參考地回路），變壓器則處于X接法（跨接在輸入輸出回路上）。

其次，其共模濾波效果的評估與測量本身需要借助額外的輔助回路，但是實(shí)際EMC(電磁兼容性)測試往往只測試由差模和共模共同導致的接收器(LISN – 線(xiàn)性阻抗穩定網(wǎng)絡(luò ))端信號來(lái)判定是否符合對應的法規標準(比如CE認證)，因此共模電感的作用往往不容易在規格書(shū)上找到答案，這也是工程師選型時(shí)往往借助經(jīng)驗而很難做仿真預測的原因。

最后，細心的讀者會(huì )發(fā)現共模電感名為電感卻并不同于功率電感，既不考慮飽和電流更不做儲能的考慮，并且英語(yǔ)名稱(chēng)是choke結尾的，所以其實(shí)其基本意義還是在于扼流(choke)，后面會(huì )講到，正是由于其扼流的效果才能達到濾波的作用，因此叫共模扼流線(xiàn)圈更符合其原理。

接下的篇幅我們來(lái)了解共模電感的基本結構原理，應用的分類(lèi)以及相關(guān)的選型，希望對作為工程師的您有所幫助。同時(shí)，如果您對相關(guān)的介紹出現了疑問(wèn)或者希望進(jìn)行探討，請與我們取得聯(lián)系，我們的工程師團隊會(huì )從元件與應用的角度為您提供盡可能的幫助。

磁場(chǎng)耦合

當空間中另外一個(gè)線(xiàn)圈B以某種位置關(guān)系接近通電線(xiàn)圈A時(shí)(如圖Fig.1)，線(xiàn)圈B中必然會(huì )被部分由線(xiàn)圈A所分布的磁通量穿過(guò)，形成共享的關(guān)系。根據安培定律，當線(xiàn)圈B所包圍的環(huán)路中磁通量發(fā)生變化時(shí)，則會(huì )在線(xiàn)圈B的回路上產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，也即感應電壓。

可以預見(jiàn)，如果線(xiàn)圈B是一個(gè)不閉合的導電線(xiàn)圈，則無(wú)法形成回路電流，而只是在線(xiàn)圈B的兩端形成感應電壓，因為其回路上無(wú)電流則自然也不會(huì )產(chǎn)生對應的空間磁場(chǎng)；但是，如果線(xiàn)圈B是閉合回路，則一定會(huì )有回路電流產(chǎn)生，也即感應電流，同時(shí)，既然有感應電流則反過(guò)來(lái)會(huì )形成空間磁場(chǎng)分布，根據線(xiàn)圈B和線(xiàn)圈A的空間關(guān)系，線(xiàn)圈A必然也會(huì )分享到線(xiàn)圈B的分布磁通量，那么這樣的相互感應最終會(huì )是怎樣的一種結果呢？

顯然，如果線(xiàn)圈A只是恒定電流的話(huà)，則線(xiàn)圈B在固定位置上是不會(huì )感受到其分享到的磁通量發(fā)生了變化，因此只有當線(xiàn)圈A中產(chǎn)生變化電流(比如交變電流)是才可能發(fā)生彼此的相互感應。在一對一的情況下(僅看一個(gè)線(xiàn)圈對另外一個(gè)線(xiàn)圈的情況)，感應電流總是產(chǎn)生對抗磁通變化的作用，因此對應的線(xiàn)圈B對線(xiàn)圈A的影響將剛好抵消線(xiàn)圈A共享給線(xiàn)圈B的磁通變化量，兩者相互分享的磁通在變化量上將相互抵消。

磁場(chǎng)耦合在固定位置情況下(不同于電動(dòng)機或者發(fā)電機)，即是描述在交變電流情況下的，不同線(xiàn)圈之間因為共享磁通而產(chǎn)生的相互作用。作為功率轉換或者信號隔離的變壓器，或者用作電流補償型的共模電感，都是這種磁場(chǎng)耦合情況。當設計或者生產(chǎn)某個(gè)共模電感時(shí)，總是不可避免的需要考慮一個(gè)問(wèn)題：兩個(gè)線(xiàn)圈究竟要保證哪些參數是必須滿(mǎn)足要求的？或者說(shuō)，除了電流和單邊的感值外，有什么是需要考慮兩者之間關(guān)系的必要要求？

一種很常見(jiàn)的參數要求即是兩邊的感值誤差必須足夠小，或者有時(shí)提出耦合系數必須達到很高(比如>98%)。這是因為作為電流補償型的共模電感，如果漏感過(guò)大，將會(huì )對差模信號產(chǎn)生明顯的作用，要么造成不必要的差模阻抗(造成信號衰減或者差模帶寬縮減)，要么造成磁芯飽和而影響共模噪聲抑制，因此，有必要對磁場(chǎng)耦合的耦合系數進(jìn)行控制。

共模電感的應用

本文開(kāi)篇已經(jīng)提到，共模電感無(wú)非是同時(shí)跨接在兩條電流回路上的一個(gè)電感，它的作用就是對可能存在于兩個(gè)電流回路上的共模噪聲進(jìn)行抑制或者衰減吸收。但是，這兩個(gè)并行電流回路并不限于組成差分回路的情形，比如一對電源線(xiàn)內的L線(xiàn)和N線(xiàn)，又或者是數據線(xiàn)端口上的D+線(xiàn)和D-線(xiàn)，基于共模噪聲產(chǎn)生的原因，凡是共地的傳輸線(xiàn)之間都可能需要進(jìn)行共模噪聲的抑制。

為了確定共模電感的應用，首先要明白共模噪聲是怎么出現的：如圖Fig.2所示(Infineon一款60W開(kāi)關(guān)電源參考設計：DEMO_5QSAG_60W1)，輸入端為市電輸入85~300Vac，電源端口上接線(xiàn)L,N和參考地之間構成了共地，實(shí)際上市電輸入還有一根地線(xiàn)Green Line接到此參考地對接到物理地上?，F在L線(xiàn)和N線(xiàn)構成電源回路并且跨接在此Flyback變壓器的原邊，作為主功率開(kāi)關(guān)管的Q11的規格選用了800V的超節M(mǎn)OS管IPA80R600P7，其Rds(on)最大限額為600mΩ，為了有限散熱一般會(huì )將散熱媒介(鋁散熱鰭片)貼附在其外殼上，這樣就增加了其高壓管腳端對地的雜散電容，形成容性耦合將高壓高頻的輸入端電壓耦合形成噪音性質(zhì)的電位勢，在輸入端口的L線(xiàn)和N線(xiàn)上通過(guò)參考地也會(huì )接收到此電位勢，也即形成了共模噪聲源。

值得注意的是，容性耦合作為EMC測試中傳導測試主要需要面對的共模噪聲源廣泛的存在于各種以AC-DC為主要形式的各種不同拓撲結構的電源，同時(shí)，在變壓器的原邊和副邊其實(shí)存在非常多的小電流回路，每一個(gè)小的電流回路也同時(shí)會(huì )增加感性耦合的噪聲電流，同樣也會(huì )帶來(lái)很難預測的共模噪聲抑或是差模噪聲，因此給EMC整改帶來(lái)非常多的不確定性，這也是至今無(wú)法依靠仿真軟件來(lái)做電磁兼容性仿真的原因。

Fig. 2 EMI對應策略元件示例(Infineon DEMO_5QSAG_60W1)

也即，共模噪聲和差模噪聲的幅值疊加出來(lái)的，但是顯然只要共模得到抑制，則最終的測試結果將會(huì )得到改善。因此，比如在常規的通信和工業(yè)類(lèi)應用EMC標準EN55022中，在150KHz到500KHz上幅值QP必須低于66dBμV，因此此處必須對共模噪聲進(jìn)行最大66-102.2=-36.2dB的衰減。取-20dB的衰減目標為例，通過(guò)簡(jiǎn)單計算，在共?；芈飞现饕淖杩篂殡s散電容的阻抗，大約在25KΩ，如圖Fig.4所示對應的需要的共模阻抗約為250KΩ，換算為一顆125mH的共模電感。

Fig.3 EMC測試中傳導測試示意圖(共模噪聲和差模信號的回路示意)

Fig.4 濾波器插入損耗的回路(左) 與 對應的衰減幅度和濾波器阻抗的關(guān)系(右)

除了在電源線(xiàn)上出現的共模電感應用，在高速信號線(xiàn)上也常常出現共模電感，比如USB3.0，HDMI，LAN等，又或者是一些LVDS的信號線(xiàn)比如CAN BUS，SPI或者RS232，RS485等。在信號線(xiàn)上共模電感的使用，雖然也有抑制共模噪聲的作用，比如為了滿(mǎn)足某種通信規格所需要的共模抑制比，但是更重要的一點(diǎn)卻來(lái)自于其附帶的電流補償作用，正如一開(kāi)始提到的，是電流補償型共模電感。

如圖Fig.5所示，高速信號線(xiàn)一般采用差分對信號進(jìn)行傳輸，信號線(xiàn)上存在電阻，雜散電容和分布電感，通過(guò)雙絞線(xiàn)的形式可以有效的降低雜散電容但是無(wú)法去除分布電感，因此在接收端上存在差模輸入電感，線(xiàn)路上的耦合電流會(huì )形成信號圖上的噪聲。這些噪聲基于傳輸線(xiàn)的對稱(chēng)性將接近等量的分布在接收機的兩端，現在在接收端輸入位置放置共模電感，則接近等量的噪聲將通過(guò)共模電感的繞組耦合產(chǎn)生抵消，從而極大的降低耦合噪聲，也即電流補償作用使得接收端輸入噪聲降低。

Fig.5 差分信號沿傳輸線(xiàn)從發(fā)射端到接收端的傳輸過(guò)程(左) 和 在接收端使用共模電感的改善(右)

在信號的眼圖上可以看到，如Fig.6，通過(guò)降低線(xiàn)路雜散感量帶來(lái)的插入損耗，信噪比將會(huì )得到改善，這一點(diǎn)對于更長(cháng)的傳輸線(xiàn)或者高速的信號線(xiàn)來(lái)說(shuō)很重要。一般來(lái)說(shuō)，以上提到的信號端口使用的傳輸線(xiàn)，通常是90~120Ω阻抗的傳輸線(xiàn)，基于特定的信號帶寬要求，一般選用1倍到10倍的阻抗共模電感來(lái)提供-6dB到-20dB的共模抑制，這點(diǎn)和前面講到的電源應用類(lèi)似，取決于共模噪聲回路的阻抗大小，當然隨著(zhù)頻率的增高(因為高速信號傳輸的要求)系統共模阻抗將降低，提供過(guò)大的感量將使得濾波帶寬變窄，因此需要驗證所選擇的感量是否匹配高速信號的傳輸要求。

Fig.6 差分傳輸線(xiàn)上的線(xiàn)路插入損耗導致信號質(zhì)量受影響示意圖

共模噪聲的危害

那么，共模噪聲究竟有什么問(wèn)題呢？為什么EMC測試中常常需要重點(diǎn)對回路上的共模噪聲進(jìn)行抑制呢？當然，首先是為了滿(mǎn)足各個(gè)國家的EMC認證標準，必須對共模和差模信號的幅度進(jìn)行限制，達到產(chǎn)品的使用安全性同時(shí)降低用電側的電器設備可能產(chǎn)生的對電網(wǎng)的或者對鄰域設備的潛在危害。

其次，從電源完整性和信號完整性的角度來(lái)看，大多數的用電設備與電器的控制器是工作在低壓狀態(tài)的，額外的噪聲電壓會(huì )有可能導致控制信號異?；蛘邆鬏數臄祿惓Ｉ踔翀箦e和宕機，這些異常干擾既可能來(lái)自于線(xiàn)路板上也可能來(lái)自其噪聲的射頻干擾，比如說(shuō)移動(dòng)設備掉線(xiàn)或者廣播的噪音嘯叫。

最后，由于超量的共模噪聲很可能以高頻輻射的形式發(fā)射到空間，比如較大的共?；芈?，或者在天線(xiàn)類(lèi)似的導體上，對于人身健康是覺(jué)察不到的長(cháng)期危害的。

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，我們把傳輸線(xiàn)等效為赫茲磁偶并由此得到如圖Fig.7所示的共模噪聲輻射模型，測試點(diǎn)距離共模傳輸線(xiàn)的中心位置距離為d，一般這個(gè)距離相比電路的尺寸要大得多因此是遠場(chǎng)測試點(diǎn)(Far field)，因此對于天線(xiàn)的遠場(chǎng)輻射其場(chǎng)強為：

這個(gè)強度剛好就是標準的限額，這時(shí)如果在3米測試點(diǎn)位置有1米長(cháng)度的導體或者人，它將感受到100μV的電壓。長(cháng)期處于這樣的環(huán)境對于人體健康很很?chē)乐氐挠绊?，累積的輻射量可能引發(fā)各種慢性病或者個(gè)體病變，這也是EMC認證的重要意義。

Fig.7 共模噪聲的輻射模型與測試點(diǎn)示意圖

大多數的開(kāi)關(guān)電路上的波形結構可以歸為梯形波，其頻率譜是隨著(zhù)諧波級數的增加幅值呈現-20dB/decade到-40dB/decade兩段降速，節點(diǎn)分別是第1角頻率和上升沿時(shí)間角頻率。以上共模的輻射強度的頻率譜顯然是隨頻率以+20dB/decade單增的，因此對于常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源和方波信號電路，其共模輻射譜將大致如Fig.8圖所示，呈現先升后降的分布特點(diǎn)，因此中間段是最需要特別控制或者進(jìn)行抑制的部分。

Fig.8 常見(jiàn)梯形波對應的共模噪聲輻射強度分布

共模電感的選型

對于電源線(xiàn)路，其共模噪聲的來(lái)源相對比較明確，只是雜散因素難以通過(guò)儀器測量，大多數情況下是依賴(lài)試驗后再進(jìn)行分析的方式來(lái)逐步逼近結果，因此累積的經(jīng)驗非常重要。本文在第2節介紹共模電感的應用時(shí)已經(jīng)講到理論上對共模噪聲的幅度預估和對應的共模電感的感量需求，可以作為早期試驗的出發(fā)點(diǎn)。

通常情況下，適用在A(yíng)C-DC電源輸入端的濾波階段的共模電感采用了閉合磁路的磁環(huán)作為磁芯，這樣做的好處是可以輕松實(shí)現非常低的漏感和非常高的耦合系數，對于高輸入電壓和相對低的開(kāi)關(guān)頻率而言可以提供不錯的高共模阻抗來(lái)抑制較高幅值的共模噪聲幅度。

由于磁性材料的磁導率可以分為感性部分和損耗部分，在磁芯接近或者高于阻抗特性最高點(diǎn)時(shí)，損耗部分將占據阻抗的主要部分，這時(shí)的噪聲抑制不再是通過(guò)感抗來(lái)降低噪聲幅度，而是通過(guò)損耗發(fā)熱的形式將噪聲能量吸收，因此適當的(過(guò)度飽和將導致阻抗降低)飽和程度并不會(huì )影響噪聲的抑制效果，使得我們在挑選共模電感時(shí)不必去尋找類(lèi)似于功率電感中的飽和電流參數。

同時(shí)，如果漏感的部分，比如1mH的電感耦合系數99%那么將會(huì )有10uH的漏感存在于差分線(xiàn)路上，當考慮差模噪聲抑制(通常是LC濾波橋)時(shí)，這一部分漏感也需要考慮在內。

適量的漏感對于高頻差模噪聲抑制有幫助，但是因為共模電感基本上采用的是磁路閉合磁芯，很容易導致在大電流時(shí)磁芯飽和，這對電源轉換效率和濾波噪聲帶寬都有影響。提高漏感的占比通?？梢赃x用方形或者框架磁芯結構(UU磁芯或者PQ磁芯等)，也可以通過(guò)非對稱(chēng)繞組()來(lái)實(shí)現，具體的選擇需要用戶(hù)通過(guò)差共模分離器鑒別測試后決定是否必要。

對于共模電感的參數而言，主要包括單邊感值，Rdc，額定電流，額定電壓和耐壓Hi-pot。其中單邊感值主要決定了共模阻抗的大小，Rdc是導線(xiàn)的直流損耗，接著(zhù)損耗帶來(lái)的溫升就產(chǎn)生了額定的電流的限額，最后因為使用在高壓線(xiàn)路上所以電壓限額和安規要求分別標出。

但是用戶(hù)更希望評估的還是濾波效果，所以一般情況下規格書(shū)會(huì )提供兩種形式的阻抗特性曲線(xiàn)，一是如圖Fig.9-a所示的共模/差模阻抗形式，二是如圖Fig.9-b所示的插入損耗dB形式，兩者是對等的，插入損耗dB形式的曲線(xiàn)是將共模/差模阻抗折算到50Ω+50Ω的系統內形成的。

Fig.9(a)共模/差模阻抗形式（b）插入損耗dB形式

對于同一個(gè)共模系列，不同尺寸的封裝結構適用不同的電流大小和濾波帶寬：尺寸越大，磁芯可以具有更低的磁阻，從而可以減少繞組匝數，這樣銅線(xiàn)的線(xiàn)徑可以放大因此可以適用更大的電流回路；感值越高或者材料磁導率穩定頻率越低，則適用的濾波帶寬更窄，這樣的共模電感放到回路上很可能對高頻端沒(méi)有噪聲抑制效果。

科達嘉電子的共模電感目前主要分信號線(xiàn)和電源線(xiàn)兩塊，超過(guò)10種系列和50種不同的尺寸封裝以及接近300款不同的標準料號，廣泛適用在諸如CAN BUS，RS485等信號線(xiàn)以及從幾瓦到幾千瓦的不同離線(xiàn)電源設備，我們的研發(fā)技術(shù)團隊也可以幫忙用戶(hù)從測試到分析，或者定制適配規格，到最終完成相關(guān)的EMC認證。

相關(guān)參考：
[1] Infineon Technologies AG. Engineering_report_DEMO_5QSAG_60W1-AN-v01_00-EN.pdf. www.infineon.com
[2] CODACA公司電感產(chǎn)品資料：www.codaca.com
[3] Clayton R.Paul. Introduction to Electromagnetic Compatibility. 2nd Edition. Wiley-interscience.
[4] Bhag Singh Guru and Huseyin R. Hiziroglu. Electromagnetic Field Theory Fundamentals. 2nd Edition. Cambridge University Press.

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審核編輯 黃宇