利用混成式共模電感抑制傳導電磁干擾

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<div class=WordSection1> <h1>利用混成式共模電感抑制傳導電磁干擾</h1> Conducted EMI Reduction by means of Hybrid Common Choke </div> <div class=WordSection2> <h2 id="__Bookmark__0">摘要</h2> EMI抑制方案有許多組合，包括濾波器組合、變壓器繞線安排，甚至PCB佈局。本文提供一種結合共模電感與差模電感的磁混成，稱之為混成式共模電感器。不僅保留共模電感的高阻抗特性，同時利用其很高漏電感當成差模電感用。不僅可以縮小體積節省濾波器成本，更提供了工程師快速解決傳導型EMI 問題的方法。 <h2 id="__Bookmark__1">混成式共模電感的原理與功能</h2> 在常規單級EMI 濾波器電路，如圖一，有共模雜訊濾波器 (LCM、CY1與CY2) 與差模雜訊濾波器 (LDM、CX1與CX2) 分別形成”LC濾波器”衰減共模與差模雜訊。共模電感通常以高導磁錳鋅 (Mn-Zn) 鐵氧體 (Ferrite) 製成，電感值可達1~50mH。共模電感器，如圖二，由於繞線極性安排，雖然兩組線圈分別流過負載電流，但鐵芯內部磁力線互相抵消，一般不存在鐵芯飽和的問題。常用的鐵芯有環型 (Toroidal)、UU型 (UU-9.8、UU-10.5等)、ET型與UT型，如圖三。為了要獲得足夠的共模電感值，儘量讓兩組線圈的耦合達到最好，所以多採用施工成本較高的環型或一體成型的ET與UT 鐵芯。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image001_zh-tw.gif" ><img width=307 height=95 id="圖片 5" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image001_zh-tw.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 圖一、常規EMI濾波器結構 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image002_zh-tw.gif" ><img width=199 height=136 src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image002_zh-tw.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 圖二、共模電感器 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image003_zh-tw.jpg" ><img width=315 height=142 id="圖片 12" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image003_zh-tw.jpg" alt="Technical Document Image Preview"></a> 圖三、共模濾波器 (a)環型 (b)ET型 (c)UU型 (d)UT型 從共模電感的工作原理與等效電路來看，如圖四所示，雙繞組的共模電感雖然有很好的耦合，但是還是存在漏電感，漏電感就是由漏磁通造成。這個漏電感在等效上串聯在電路上，功能上與差模電感無異。所以可以說，共模電感器的漏電感可以利用來做為差模濾波器。然而如圖三所示的共模電感器，由於機械結構的關係，其漏電感都很小，約莫在數mH到100mH。如果要得到更大的漏電感，只有增加匝數一途，如此一來，線徑變細，電流耐受降低。要改善只有增加鐵芯大小，當然也增加了濾波器的體積與成本。許多要求極高共模電感的應用，其實不在濾除共模雜訊，而是要得到較大的漏電感當差模濾波器用，只是許多工程師不甚清楚罷了。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image004_zh-tw.gif" ><img width=307 height=203 id="圖片 7" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image004_zh-tw.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 圖四、共模電感器的等效模型 為了增加共模電感的漏電感，特殊的鐵芯結構與繞線方法稱為混成式共模電感器 (Integrated Common-mode Choke) 或者稱混成共模電感器 (Hybrid Common-mode Choke)，如圖五所示。這樣的結構，不僅可以保留共模電感量以充分濾除共模雜訊外，其漏電感形成的差模電感可以高達數百mH，配合適當的X電容，可以有效的濾除中低頻段 (150kHz~3MHz) 的差模雜 訊。實驗證明混成式共模電感器不僅具有很好的濾波特性，低成本與小體積更是最大的優點。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image005_zh-tw.gif" ><img width=243 height=111 id="圖片 10" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image005_zh-tw.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 圖五、立式與臥式混成式共模電感器 <h2 id="__Bookmark__2">主要的電氣參數</h2> 混成式共模電感器保留了常規的共模電感器的規格外，還兼具差模電感的特性。一般除了用共模與差模電感量標示外，還要以以下參數來規範。 (1) 共模阻抗 (Common-mode Impedance, ZCM) : 相較於電源阻抗穩定網路 (Line Impedance Stabilization Network, LISN) 的高頻等效電阻 (共模為25W)，濾波用的共模阻抗越大越好。除了鐵芯材質外，繞線的方法(槽數)更影響高頻阻抗的高低。圖六為共模阻抗的量測法，圖七為ASU-1200系列共模阻抗特性圖。由於繞線的層間雜散電容 (Stray Capacitance, CS) 存在，高頻時將變為電容性；CS 越小越好。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image006_zh-tw.gif" ><img width=166 height=152 id="圖片 11" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image006_zh-tw.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 圖六、共模阻抗量測 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image007_zh-tw.jpg" ><img width=337 height=216 id="圖片 1" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image007_zh-tw.jpg" alt="Technical Document Image Preview"></a> 圖七、ASU-1200系列共模阻抗特性圖 (2) 共模電感 (Common-mode Inductance, LCM) : 傳統上，習慣以外加測試電壓(VOSC)與頻率來規範共模電感。依鐵芯材料特色，共模電感以VOSC = 1Vac @100kHz 量測較為穩定。 (3) 差模阻抗 (Differential-mode Impedance, ZDM) : 同樣的，量測等效差模阻抗的方法如圖八所示，用差模阻抗特性圖 (如圖九)來定義差模濾波的效能；相較於LISN 的等效電阻100 W，差模阻抗也是越大越好。當然高頻時一樣會變成電容性，但只要阻抗夠大，一樣有濾波的效果。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image008_zh-tw.gif" ><img width=122 height=195 id="圖片 15" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image008_zh-tw.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 圖八、差模阻抗量測 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image009_zh-tw.jpg" ><img width=326 height=218 id="圖片 6" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image009_zh-tw.jpg" alt="Technical Document Image Preview"></a> 圖九、ASU-1200系列差模阻抗特性圖 (4) 差模電感 (Differential-mode Inductance, LDM) : 差模電感一樣可以VOSC = 1Vac @100kHz 來規範。在實用上，混成式差模電感量必須100mH 以上，配合X電容，才能有效的濾除差模雜訊。 (5) 差模飽和電流 (Isat) : 如前所述，因為等效差模電感必須流過負載電流，在負載電流的峰值下，差模電感不能飽和，否則其濾雜訊的能力將降低。圖十為一般橋整濾波電路的輸入電流波形。必須確保在最大電流峰值下，差模電感量沒有因飽和而下降。傳統上，以電感值衰減20% (相對於沒有直流偏置) 為其差模飽和電流。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image010_zh-tw.gif" ><img width=284 height=105 id="圖片 21" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image010_zh-tw.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> (a) <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image011_zh-tw.gif" ><img width=277 height=247 id="圖片 22" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image011_zh-tw.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> (b) 圖十、(a) 全橋濾波電路 (b) 輸入電流波形 (6) 有效承受電流 (Irms) : 等效上就是規範線徑粗細。雖然如圖十的輸入電流波形，但其有效值並不高，一般可以兩倍的輸出功率除以最低輸入電壓估計。例如全電壓範圍25W 的電源適配器，輸入電流的有效值約為 2*25W / 90Vac = 0.55A。 表一為ASU-1200 系列的電氣參數表 <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">應用電路</h2> 混成式共模電感器簡單說就是一個傳統共模電感與一個 (或兩個) 差模電感的混成。在應用上，EMI工程師必須選定需要的共模電感、差模電感以及相關的差模飽和電流與承受電流。ASU-1200 系列混成式共模電感適合應用在25W到50W的Flyback 電路或120W以下PFC 電路。圖十一為兩種應用混成式共模電感器的Flyback 電路。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image012_zh-tw.gif" ><img width=296 height=131 id="圖片 23" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image012_zh-tw.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> (a) <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image013_zh-tw.gif" ><img width=307 height=137 id="圖片 24" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image013_zh-tw.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> (b) 圖十一、兩種應用混成式共模電感器的Flyback 電路 (a) 常規位置搭配X電容 (b) 置於橋整後與電解電容形成PI型濾波器 圖十二為應用在邊界導通模式 (Boundary Conduction Mode) 主動功因改善 (PFC) 電路的濾波器。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image014_zh-tw.gif" ><img width=307 height=144 id="圖片 25" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image014_zh-tw.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 圖十二、應用於PFC電路的混成共模電感器 圖十三到圖十五為應用ASU-1203混成式共模電感器在一個24W (12V/2A) 的離線Flyback 電源中EMI 的表現。明顯地可以看出這種共模電感不只有效的衰減共模雜訊，同時其差模電感也大量的衰減差模雜訊。整體而言，裝有ASU-1203 的EMI 表現，在中低頻段約略有30dB的衰減。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image015_zh-tw.gif" ><img width=265 height=202 id="圖片 26" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image015_zh-tw.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 圖十三、共模雜訊衰減 (藍色曲線為裝有ASU-1203 的共模雜訊量測圖) <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image016_zh-tw.gif" ><img width=265 height=202 id="圖片 28" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image016_zh-tw.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 圖十五、總雜訊衰減 (藍色曲線為裝有ASU-1203 的總雜訊量測圖) <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image017_zh-tw.gif" ><img width=265 height=202 id="圖片 27" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an008/html-images-zh-tw/image017_zh-tw.gif" alt="Technical Document Image Preview"></a> 圖十四、差模雜訊衰減 (藍色曲線為裝有ASU-1203 的差模雜訊量測圖) <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"> 相關資源 </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;"> 立錡科技電子報 </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">訂閱立錡科技電子報</a> </td> </tr> <tr style="height: 17pt;"> <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;"> 檔案下載 </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_TW.ashx">PDF 下載</a> </td> </tr> </tbody> </table> </div>

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