利用混成式共模电感抑制传导电磁干扰

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<div class=WordSection1> <h1>利用混成式共模电感抑制传导电磁干扰</h1> Conducted EMI Reduction by Means of Hybrid Common Choke </div> <div class=WordSection2> <h2 id="__Bookmark__0">摘要</h2> EMI抑制方案有许多组合，包括滤波器组合、变压器绕线安排，甚至PCB布局。本文提供一种结合共模电感与差模电感的磁混成，称之为混成式共模电感器。不仅保留共模电感的高阻抗特性，同时利用其很高漏电感当成差模电感用。不仅可以缩小体积节省滤波器成本，更提供了工程师快速解决传导型EMI 问题的方法。 <h2 id="__Bookmark__1">混成式共模电感的原理与功能</h2> 在常规单级EMI 滤波器电路中，如图一，有共模噪声滤波器 (LCM、CY1与CY2) 与差模噪声滤波器 (LDM、CX1与CX2) 分别形成”LC滤波器”衰减共模与差模噪声。共模电感通常以高导磁锰锌 (Mn-Zn) 铁氧体 (Ferrite) 制成，电感值可达1~50mH。共模电感器，如图二，由于绕线极性安排，虽然两组线圈分别流过负载电流，但铁芯内部磁力线互相抵消，一般不存在铁芯饱和的问题。常用的铁芯有环型 (Toroidal)、UU型 (UU-9.8、UU-10.5等)、ET型与UT型，如图三。为了获得足够的共模电感值，要尽量让两组线圈的耦合达到最好，所以多采用施工成本较高的环型或一体成型的ET与UT 铁芯。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image001_zh-cn.gif" ><img width=307 height=95 id="圖片 5" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image001_zh-cn.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 图一、常规EMI滤波器结构 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image002_zh-cn.gif" ><img width=199 height=136 src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image002_zh-cn.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 图二、共模电感器 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image003_zh-cn.jpg" ><img width=315 height=142 id="圖片 12" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image003_zh-cn.jpg" alt="Technical Document Image Preview"></a> 图三、共模滤波器(a)环型(b)ET型(c)UU型(d)UT型 从共模电感的工作原理与等效电路来看，如图四所示，双绕组的共模电感虽然有很好的耦合，但是还是存在漏电感，漏电感就是由漏磁通造成。这个漏电感在等效上串联在电路上，功能上与差模电感无异。所以可以说，共模电感器的漏电感可以利用来做为差模滤波器。然而如图三所示的共模电感器，由于机械结构的关系，其漏电感都很小，约莫在数mH到100mH。如果要得到更大的漏电感，只有增加匝数一途，如此一来，线径变细，电流耐受降低。要改善只有增加铁芯尺寸，当然也增加了滤波器的体积与成本。许多要求极高共模电感的应用，其实不在滤除共模噪声，而是要得到较大的漏电感当差模滤波器用，只是许多工程师不甚清楚罢了。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image004_zh-cn.gif" ><img width=307 height=203 id="圖片 7" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image004_zh-cn.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 图四、共模电感器的等效模型 为了增加共模电感的漏电感，特殊的铁芯结构与绕线方法称为混成式共模电感器 (Integrated Common-mode Choke) 或者称混成共模电感器 (Hybrid Common-mode Choke)，如图五所示。这样的结构，不仅可以保留共模电感量以充分滤除共模噪声，而且其漏电感形成的差模电感可以高达数百mH，配合适当的X电容，可以有效的滤除中低频段 (150kHz~3MHz) 的差模 信号。实验证明混成式共模电感器不仅具有很好的滤波特性，低成本与小体积更是最大的优点。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image005_zh-cn.gif" ><img width=243 height=111 id="圖片 10" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image005_zh-cn.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 图五、立式与卧式混成式共模电感器 <h2 id="__Bookmark__2">主要的电气参数</h2> 混成式共模电感器除保留了常规的共模电感器的规格外，还兼具差模电感的特性。一般除了用共模与差模电感量标示外，还要以以下参数来规范。 (1)共模阻抗 (Common-mode Impedance, ZCM) : 相较于电源阻抗稳定网络 (Line Impedance Stabilization Network, LISN)的高频等效电阻 (共模为25W)，滤波用的共模阻抗越大越好。除了铁芯材质外，绕线的方法(槽数)更影响高频阻抗的高低。图六为共模阻抗的量测法，图七为ASU-1200系列共模阻抗特性图。由于绕线的层间杂散电容 (Stray Capacitance, CS) 存在，高频时将变为电容性；CS越小越好。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image006_zh-cn.gif" ><img width=166 height=152 id="圖片 11" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image006_zh-cn.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 图六、共模阻抗量测 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image007_zh-cn.jpg" ><img width=337 height=216 id="圖片 1" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image007_zh-cn.jpg" alt="Technical Document Image Preview"></a> 图七、ASU-1200系列共模阻抗特性图 (2)共模电感 (Common-mode Inductance, LCM) : 传统上，习惯以外加测试电压 (VOSC)与频率来规范共模电感。依铁芯材料特色，共模电感以VOSC = 1Vac @100kHz 量测较为稳定。 (3)差模阻抗 (Differential-mode Impedance, ZDM) : 同样的，量测等效差模阻抗的方法如图八所示，用差模阻抗特性图 (如图九)来定义差模滤波的效能；相较于LISN 的等效电阻100W，差模阻抗也是越大越好。当然高频时一样会变成电容性，但只要阻抗够大，一样有滤波的效果。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image008_zh-cn.gif" ><img width=122 height=195 id="圖片 15" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image008_zh-cn.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 图八、差模阻抗量测 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image009_zh-cn.jpg" ><img width=326 height=218 id="圖片 6" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image009_zh-cn.jpg" alt="Technical Document Image Preview"></a> 图九、ASU-1200系列差模阻抗特性图 (4)差模电感 (Differential-mode Inductance, LDM) : 差模电感一样可以VOSC = 1Vac @100kHz 来规范。在实用上，混成式差模电感量必须在100mH 以上，配合X电容，才能有效的滤除差模噪声。 (5)差模饱和电流 (Isat) : 如前所述，因为等效差模电感必须流过负载电流，在负载电流的峰值下，差模电感不能饱和，否则其滤除噪声的能力将降低。图十为一般桥式整流滤波电路的输入电流波形。必须确保在最大电流峰值下，差模电感量没有因饱和而下降。传统上，以电感值衰减20% (相对于没有直流偏置) 为其差模饱和电流。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image010_zh-cn.gif" ><img width=284 height=105 id="圖片 21" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image010_zh-cn.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> (a) <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image011_zh-cn.gif" ><img width=277 height=247 id="圖片 22" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image011_zh-cn.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> (b) 图十、(a) 全桥滤波电路 (b) 输入电流波形 (6)有效承受电流(Irms) : 等效上就是规范线径粗细。虽然如图十的输入电流波形，但其有效值并不高，一般可以两倍的输出功率除以最低输入电压估计。例如全电压范围25W 的电源适配器，输入电流的有效值约为 2*25W/90Vac = 0.55A。 表一为ASU-1200 系列的电气参数表 <div> <table class=MsoTableGrid border=1 cellspacing=0 cellpadding=0 width=296 style='border-collapse:collapse;border:none'> <tr> <td width=77 style='width:57.7pt;border:solid windowtext 1.0pt;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> </td> <td width=60 style='width:45.35pt;border:solid windowtext 1.0pt;border-left: none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> LCM(mH) ±20% </td> <td width=60 style='width:45.35pt;border:solid windowtext 1.0pt;border-left: none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> LDM(mH) ±10% </td> <td width=49 style='width:36.85pt;border:solid windowtext 1.0pt;border-left: none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> Isat(A) </td> <td width=49 style='width:36.85pt;border:solid windowtext 1.0pt;border-left: none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> Irms(A) </td> </tr> <tr> <td width=77 style='width:57.7pt;border:solid windowtext 1.0pt;border-top: none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> ASU-1201 </td> <td width=60 style='width:45.35pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 4.0 </td> <td width=60 style='width:45.35pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 143 </td> <td width=49 style='width:36.85pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 3.2 </td> <td width=49 style='width:36.85pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 1.00 </td> </tr> <tr> <td width=77 style='width:57.7pt;border:solid windowtext 1.0pt;border-top: none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> ASU-1202 </td> <td width=60 style='width:45.35pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 6.0 </td> <td width=60 style='width:45.35pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 220 </td> <td width=49 style='width:36.85pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 2.9 </td> <td width=49 style='width:36.85pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 0.80 </td> </tr> <tr> <td width=77 style='width:57.7pt;border:solid windowtext 1.0pt;border-top: none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> ASU-1203 </td> <td width=60 style='width:45.35pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 9.0 </td> <td width=60 style='width:45.35pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 310 </td> <td width=49 style='width:36.85pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 2.4 </td> <td width=49 style='width:36.85pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 0.75 </td> </tr> <tr> <td width=77 style='width:57.7pt;border:solid windowtext 1.0pt;border-top: none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> ASU-1204 </td> <td width=60 style='width:45.35pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 12.0 </td> <td width=60 style='width:45.35pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 410 </td> <td width=49 style='width:36.85pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 2.2 </td> <td width=49 style='width:36.85pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 0.75 </td> </tr> <tr> <td width=77 style='width:57.7pt;border:solid windowtext 1.0pt;border-top: none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> ASU-1205 </td> <td width=60 style='width:45.35pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 16.0 </td> <td width=60 style='width:45.35pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 530 </td> <td width=49 style='width:36.85pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 1.9 </td> <td width=49 style='width:36.85pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 0.60 </td> </tr> <tr> <td width=77 style='width:57.7pt;border:solid windowtext 1.0pt;border-top: none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> ASU-1206 </td> <td width=60 style='width:45.35pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 20.0 </td> <td width=60 style='width:45.35pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 670 </td> <td width=49 style='width:36.85pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 1.8 </td> <td width=49 style='width:36.85pt;border-top:none;border-left:none; border-bottom:solid windowtext 1.0pt;border-right:solid windowtext 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 0.55 </td> </tr> </table> </div> <h2 id="__Bookmark__3">应用电路</h2> 混成式共模电感器，简单说就是一个传统共模电感与一个(或两个)差模电感的混成。在应用上，EMI工程师必须选定需要的共模电感、差模电感以及相关的差模饱和电流与承受电流。ASU-1200 系列混成式共模电感适合应用在25W到50W的Flyback 电路或120W以下PFC 电路。图十一为两种应用混成式共模电感器的Flyback 电路。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image012_zh-cn.gif" ><img width=296 height=131 id="圖片 23" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image012_zh-cn.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> (a) <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image013_zh-cn.gif" ><img width=307 height=137 id="圖片 24" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image013_zh-cn.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> (b) 图十一、两种应用混成式共模电感器的Flyback 电路 (a) 常规位置搭配X电容 (b) 置于桥整后与电解电容形成P型滤波器 图十二为应用在临界导通模式 (Boundary Conduction Mode) 主动功因改善 (PFC) 电路的滤波器。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image014_zh-cn.gif" ><img width=307 height=144 id="圖片 25" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image014_zh-cn.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 图十二、应用于PFC电路的混成共模电感器 图十三到图十五为应用ASU-1203混成式共模电感器在一个24W (12V/2A) 的离线式Flyback 电源中EMI 的表现。明显地可以看出这种共模电感不只有效的衰减共模噪声，同时其差模电感也大量的衰减差模噪声。整体而言，装有ASU-1203 的EMI 表现，在中低频段约有30dB的衰减。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image015_zh-cn.gif" ><img width=265 height=202 id="圖片 26" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image015_zh-cn.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 图十三、共模噪声衰减 (蓝色曲线为装有ASU-1203 的共模噪声量测图) <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image016_zh-cn.gif" ><img width=265 height=202 id="圖片 28" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image016_zh-cn.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 图十五、总噪声衰减 (蓝色曲线为装有ASU-1203 的总噪声量测图) <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image017_zh-cn.gif" ><img width=265 height=202 id="圖片 27" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-cn/image017_zh-cn.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 图十四、差模噪声衰减 (蓝色曲线为装有ASU-1203 的差模噪声量测图) <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" style="width: 637.5pt; border-collapse: collapse; border: medium none;" class="3-51"> <tbody> <tr style="height: 17pt;"> <td style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; background-color: #009eb8; background-image: url(e); background-repeat: repeat; background-attachment: scroll; background-clip: border-box; background-origin: padding-box; background-size: auto auto; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; height: 17pt;" colspan="2"> 相关资源 </td> </tr> <tr> <td style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; background-color: #ffffff; background-image: url(e); background-repeat: repeat; background-attachment: scroll; background-clip: border-box; background-origin: padding-box; background-size: auto auto; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; height: 17pt;"> 立锜科技电子报 </td> <td style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; background-color: #ffffff; background-image: url(e); background-repeat: repeat; background-attachment: scroll; background-clip: border-box; background-origin: padding-box; background-size: auto auto; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; height: 17pt;"> <a class="link" href="http://www.richtek.com/My%20Richtek/Newsletters" target="_blank">订阅立锜科技电子报</a> </td> </tr> <tr> <td style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; background-color: #ffffff; background-image: url(e); background-repeat: repeat; background-attachment: scroll; background-clip: border-box; background-origin: padding-box; background-size: auto auto; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; height: 17pt;"> 档案下载 </td> <td style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; background-color: #ffffff; background-image: url(e); background-repeat: repeat; background-attachment: scroll; background-clip: border-box; background-origin: padding-box; background-size: auto auto; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; height: 17pt;"> <a class="link" href="http://www.richtek.com/Design%20Support/Technical%20Document/~/media/AN%20PDF/AN008_CN.ashx">PDF 下载</a> </td> </tr> </tbody> </table> </div>

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