混合普通扼流圈的原理作用及應(yīng)用電路

EMI 抑制解決方案采用濾波器、變壓器線圈排列甚至 PCB 布局的不同組合。本應(yīng)用筆記提供了所謂的混合共模扼流圈，它是一種由共模扼流圈和差模扼流圈組成的磁混合?；旌瞎材６罅魅ΡＡ袅斯材６罅魅Φ母咦杩固匦?。其高漏感可用作差模電感。它不僅具有更小的尺寸以降低濾波器成本，而且還為工程師提供了解決傳導(dǎo) EMI 問(wèn)題的便捷解決方案。

一、混合普通扼流圈的原理和作用

在典型的單級(jí) EMI 濾波器電路中，如圖 1 所示，一個(gè)共模噪聲濾波器（L CM、C Y1和 C Y2）和一個(gè)差模噪聲濾波器（L DM、C X1和 C X2），以 LC 濾波器的形式，分別衰減共模和差模噪聲。共模扼流圈通常由高導(dǎo)磁率的錳鋅鐵氧體制成，其電感可高達(dá)1~50mH。圖2中可以看到一個(gè)共模扼流圈。由于繞組極性排列，即使負(fù)載電流分別流過(guò)兩組線圈，鐵芯內(nèi)部的磁通量也可以抵消。此后，不會(huì)發(fā)生磁芯飽和。常用的磁芯類型有環(huán)形、UU型（UU-9.8、UU-10.5等）、ET型、UT型，如圖3所示。為了獲得高共模電感，兩組線圈應(yīng)盡可能好地耦合。因此，多采用建造成本高的環(huán)形磁芯，或者ET型和UT型的一體式磁芯。

圖 1. 典型的 EMI 濾波器配置

圖 2. 共模扼流圈

圖 3. 常用磁芯類型： （a） Toroid type （b） ET type （c） UU type （d） UT type

從共模扼流圈的工作原理和等效電路來(lái)看，如圖4所示，雖然兩組線圈耦合良好，但仍然存在漏感，這是由漏磁通引起的。漏感在電路中等效串聯(lián)，起到差模電感的作用。因此，共模扼流圈的漏電感可用于差模濾波器。然而，由于共模扼流圈的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖 3 所示，它們的漏感非常小，只有幾 μH 到 100 μH 左右。獲得更高漏感的唯一方法是增加線圈匝數(shù)。這樣，線圈線必須更細(xì)，給定相同的磁芯，反過(guò)來(lái)rms電流會(huì)降低。為了應(yīng)對(duì)這種情況，核心必須擴(kuò)大，這導(dǎo)致更大的過(guò)濾器和更高的成本。一些應(yīng)用需要高共模電感。然而，它不是為了過(guò)濾共模噪聲，而是為了獲得高寄生漏電感，用于差模濾波器。工程師通常不知道這種做法。

圖 4. 共模扼流圈的等效模型

為了增加共模扼流圈的漏感，采用了獨(dú)特的磁芯結(jié)構(gòu)和線圈繞組。這種共模扼流圈稱為集成共模扼流圈或混合共模扼流圈，如圖 5 所示。這種扼流圈結(jié)構(gòu)保留了高共模電感以濾除共模噪聲，并且可以具有高達(dá)來(lái)自漏電感的數(shù)百 μH 差模電感。配合適當(dāng)?shù)?X 電容，可有效濾除低/中頻 （150kHz ~ 3MHz） 差模噪聲。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，混合共模扼流圈證明可以制造出色的濾波器。而它們最大的優(yōu)勢(shì)，低成本和小尺寸，使它們優(yōu)于同行。

圖 5. 垂直和水平混合共模扼流圈

二、主要電氣參數(shù)

混合共模扼流圈既保留了共模扼流圈的特性，又具有差模扼流圈的特性。除了共模扼流圈和差模扼流圈的一般規(guī)格外，還規(guī)定了以下參數(shù)。

（1） 共模阻抗，Z CM：與線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的高頻等效電阻（共模為 25Ω）相比，共模阻抗越高，它們制作的濾波器越好。除了鐵芯材料，繞制線圈的方式（如線圈數(shù)量）可能對(duì)高頻阻抗的影響更大。圖 6 顯示了測(cè)量共模阻抗的設(shè)置。圖 7 顯示了 ASU-1200 系列的共模阻抗特性。由于線圈層之間存在雜散電容C S，因此在高頻時(shí)會(huì)變?yōu)殡娙菪?。因此，CS 越小越好。

圖 6. 共模阻抗的測(cè)量設(shè)置

圖 7. ASU-1200 系列的共模阻抗特性

（2） 共模電感，L CM：傳統(tǒng)上，共模電感的特征在于外部添加的電壓 （V OSC ） 和使用的頻率。用 V OSC = 1Vac @100kHz表征共模電感通常具有更穩(wěn)定的結(jié)果，盡管它可能因磁芯材料而異。

（3） 差模阻抗，Z DM：類似地，測(cè)量等效差模阻抗的設(shè)置如圖 8 所示。如圖 9 所示的差模阻抗特性圖可用于描述差模濾波器性能。與 LISN 等效電阻 100Ω 相比，更高的差模阻抗更好。在高頻下，它仍然變成電容性的。然而，在足夠大的阻抗下，它仍然可以成為一個(gè)好的濾波器。

圖 8. 差模阻抗的測(cè)量設(shè)置

圖 9. ASU-1200 系列的差模阻抗特性

（4） 差模電感，L DM：同樣，差模電感可以指定為 V OSC = 1Vac @100kHz。在實(shí)際應(yīng)用中，混合共扼流圈的差模電感應(yīng)大于100μH，以有效濾除差模噪聲，配合X電容。

（5）差模飽和電流，I sat：如前所述，由于負(fù)載電流流經(jīng)等效差模電感，差模電感在峰值負(fù)載電流處不應(yīng)飽和；否則過(guò)濾性能會(huì)下降。圖 10 描繪了橋式整流濾波電路和輸入電流波形。要求在峰值負(fù)載電流下，差模電感不會(huì)因?yàn)榇判撅柡投鴾p小。按照慣例，I sat定義為電感下降 20% 時(shí)的電流（與沒(méi)有直流偏置電流時(shí)的值相比）。

（一種）

（b）

圖 10. （a） 全橋?yàn)V波電路，（b） 輸入電流波形

（6） 均方根電流，I rms：等效地，此額定值用于定義線寬。圖 10 的輸入電流波形 I rms并不高，通?？梢酝ㄟ^(guò)最小輸入電壓除以兩倍的輸出功率來(lái)估算。例如，使用全輸入電壓范圍的 25W 電源適配器，其 I rms可以計(jì)算為 2 x 25W / 90Vac = 0.55A。

表 1：ASU-1200 系列的電氣參數(shù)

三、應(yīng)用電路

簡(jiǎn)單地說(shuō)，混合共模扼流圈集成了一個(gè)傳統(tǒng)的共模扼流圈和一個(gè)（或兩個(gè)）差模扼流圈。對(duì)于不同的應(yīng)用，EMI 工程師必須確定共模扼流圈、差模扼流圈以及差模飽和電流 I sat和均方根電流 I rms。ASU-1200系列混合共扼流圈適用于25W-50W反激電路或《120W PFC電路的應(yīng)用。圖 11 展示了兩個(gè)反激電路的示例，使用了一個(gè)混合公共扼流圈。

（一種）

（b）

圖 11. 帶有混合公共扼流圈的兩個(gè)反激電路 （a） 帶有 X 電容器的傳統(tǒng)濾波器 （b） 帶有 X 電容器的傳統(tǒng)濾波器到橋式整流器的輸出

圖 12 顯示了在有源濾波器中使用混合共扼流圈，以在邊界傳導(dǎo)模式下進(jìn)行功率因數(shù)校正 （PFC）。

圖 12. PFC 電路中混合公共扼流圈的應(yīng)用電路

圖 13 至圖 15 顯示了使用 ASU-1203 混合公共扼流圈的 24W （12V/2A） 離線反激式電源的 EMI 性能?？梢郧宄乜闯?，這種混合共模扼流圈不僅有效地降低了共模噪聲，而且其差模電感也有效地降低了差模噪聲。總體而言，EMI 性能表明，使用 ASU-1203 在低/中頻帶頻率下噪聲可以衰減約 30dB。

圖 13. 共模噪聲衰減（藍(lán)線表示使用 ASU-1203 測(cè)量共模噪聲）

圖 14. 差模噪聲衰減（藍(lán)線表示使用 ASU-1203 測(cè)量差模噪聲）

圖 15. 總噪聲衰減（藍(lán)線顯示使用 ASU-1203 測(cè)量的總噪聲）