共模電感設計方案
近年來，由于政府機構(gòu)或其他團宥訣MC（電磁兼容）日益重視，工程師們在設計產(chǎn)品時亦是非常注意產(chǎn)品的輻射問題。特別值得一提的是：直流變換器很高的開關頻率及尖峰脈沖斜波就是一典型的EMI（電磁干擾）。
共模電感就是一個重要的抗電磁干擾零件，它可以在一寬頻條件下提供非常高的阻抗。大多數(shù)EMI濾波器主要部件就是一共模電感。在此文中，主要介紹共模電感的設計及磁芯選材問題。
2.基本的共模
開關電源有兩種噪聲：一為共模，另一為差模。與輸入信號的路徑相同的噪聲稱之為差模噪聲，而每相相同的從接地到輸出的尖峰信號稱之為共模噪聲。（詳見圖1A和1B）
一典型抗電磁干擾濾波器包含共模電感，差模電感及X，Y電容。Y電容和共模電感使共模噪聲衰減。在高頻噪聲時，電感呈現(xiàn)高阻抗特性，并且反射和吸收噪聲。然而電容呈低阻抗（至接地）且改變主線的噪聲方向。（見圖2）
共模電感兩繞組圈數(shù)是相同的，產(chǎn)生兩大小相等方向相反的磁通量。此兩磁通相互抵消。因此使磁芯處于無偏磁狀態(tài)。差模電感只有一個繞組，需要磁芯提供一完全無飽和線性電流。此與共模電感有較大的不同。為防止磁飽和，差模電感必須使用一低的有效磁導率的磁芯（有氣隙的鐵氧體或鐵粉磁芯）。然而，共模電感可以使用一較高的磁導率磁芯且在磁芯相對小的條件下可得到一比較高的電感。
3.磁芯選材
首先，噪聲是由開關電源的單位基頻所產(chǎn)生的，再加上高頻諧波。也就是表示噪聲在10KHz到50MHz范圍內(nèi)都會存在。為此，電感必須有更寬的頻率范圍內(nèi)存在高阻抗特性。共模電感的總阻抗由兩部分組成：串聯(lián)感抗（Xs）和串聯(lián)電阻（Rs）。在低頻時，阻抗呈感抗特性。但隨著頻率的增加，有效磁導率下降，感抗亦在下降。（見圖3）由串聯(lián)感抗（Xs）和串聯(lián)電阻（Rs）的相互作用，在整個頻寬內(nèi)產(chǎn)生一可接受的阻抗（Zs）。
對于大多數(shù)產(chǎn)品來講，共模電感的磁芯都選用鐵氧體（鎳鋅系和錳鋅系）。鎳鋅系磁芯的特點是具有較低的初磁導率，但在非常高的頻率（大于100MHz）時，仍能保持初磁導率。而錳鋅系則恰恰相反，其具有很高的初磁導率，但在頻率很低（20KHz）時，磁導率可能會衰減。由于鎳鋅系磁芯有很低的初磁導率，所以在低頻時，不可產(chǎn)生高阻抗特性。然而錳鋅系磁芯在低頻時，能提供非常高的阻抗特性，且非常適用于10KHz到50MHz的抗電磁干擾?；诖耍疚闹患杏懻撳i鋅系磁芯。
錳鋅系磁芯有很多種形狀：環(huán)形，E形，罐形，RM形及EP形等等。但對于大多數(shù)共模電感都是使用環(huán)形磁芯。主要是有以下兩種好處：
第一：環(huán)形磁芯比較便宜。因為環(huán)形只有一個就可制作，而其他形狀的磁芯必須有一對才能構(gòu)成共模電感所需，且在成型時，因考慮兩磁芯的配對問題，還須增加研磨工序（如鏡面磁芯）才能得到較高的磁導率。對于環(huán)形磁芯卻不需如此。
第二：與其它形狀磁芯相比環(huán)形磁芯有較高的有效磁導率。因為兩配對磁芯在裝配時，無論怎樣作業(yè)都不可消除氣隙的現(xiàn)象，故有效磁導率比只有單一封閉形磁芯要低。
環(huán)形磁芯有一缺點：繞線成本較高。因其他形狀磁芯有一配套線架在使用，繞線都可以機器作業(yè)，而環(huán)形磁芯只可以手工作業(yè)或機器（速度較低）作業(yè)。但通常情況下，共模電感圈數(shù)較少（小于30圈），故繞線成本比較少。
基于上述原因，下面的共模電感都是對使用環(huán)形磁芯的敘述。
4.設計考慮
共模電感設計所需的基本參數(shù)為：輸入電流，阻抗及頻率。輸入電流決定了繞組所需的線徑。在計算線徑時，電流密度通常取值為400A/cm3。但此取值須隨電感溫升的變化。通常情況下，繞組使用單根導線作業(yè)，這樣可削減高頻噪聲及趨膚效應損失。
共模電感的阻抗在所給的頻率條件一般規(guī)定為最小值。串聯(lián)的線性阻抗可提供一般要求的噪聲衰減。但很不幸，線性阻抗有相當少的人知道，因此設計人員經(jīng)常以50W線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡儀來測試共模電感，并漸漸成為一種標準測試共模電感性能的方法。但所得的結(jié)果與實際通常有相當大的差別。實際上，共模電感在正常時角頻首先會產(chǎn)生每八音度增加-6dB衰減（角頻是共模電感產(chǎn)生-3dB）的頻率此角頻通常很低，以便感抗能夠提供阻抗。故電感可以用下式來表達：
Ls=Xx/2πf （1）
電感大家都知道，但值得一提的是，設計時須注意磁芯，磁芯材質(zhì)及所需的圈數(shù)。首先，設計第一步是磁芯型號的選取，如果有規(guī)定電感空間，我們就按此空間來選取合適的磁芯型號，如沒有規(guī)定，通常磁芯型號的隨意選取；
第二步是計算磁芯所能繞最大圈數(shù)。共模電感有兩繞組，一般為單層，且每繞組分布在磁芯的每一邊，兩繞組中間須隔開一定的距離。雙層及堆積繞組亦有偶爾使用，但此種作法會提高繞組的分布電容及降低電感的高頻性能。由于銅線的線徑已由線性電流的大小所決定，內(nèi)圓周長可以由磁芯的內(nèi)圓半徑減去銅線半徑計算得來。故最大圈數(shù)的就可以銅線加絕緣的線徑及每個繞組所占據(jù)的圓周來計算。
5.設計案例
要求：在工作頻率為10KHz，輸入線性電流為3A（RMS）時，阻抗為100 歐的共模電感。
1）選取線徑
銅線截面積=3A/400A/cm2=0.0075cm2
銅線線徑=2
=0.98mm
取銅線線為1.0mm
2）計算最小電感值
3）假如無指定空間，任取一磁芯
內(nèi)徑（ID）=13.72+/-0.38=13.34mm MIN
4）計算內(nèi)圓周長和最大可繞圈數(shù)
內(nèi)圓周長=3.14×（13.34-1.08）=38.5mm
最大圈數(shù)=（160/360）×38.5/1.08=15.8TS或16TS
5）計算磁芯的AL值，并選取材質(zhì)
磁芯的AL最小值=1.59/162=6211nH/TS2MIN
因此種磁芯AL值變化范圍一般為+/-30%故磁芯的AL值取9000nH/TS2，以上述條件，即可選取一合適磁芯。
6.總結(jié)
共模電感的設計看起來十分簡單，但實際上，它還有點復雜。為了防止磁芯飽和時，必須考慮溫度及應力等等因素。但如果對磁芯材料特性比較了解，此問題就不難解決。此文只是介紹了共模電感基本的設計方法，希望對大家有一定的幫助并能提供其它的參考意見！
零歐電阻、磁珠、電感有何區(qū)別
電感是儲能元件，多用于電源濾波回路、LC振蕩電路、中低頻的濾波電路等，其應用頻率范圍很少超過50MHz。對電感而言，它的感抗是和頻率成正比的。這可以由公式：XL = 2πfL 來說明，其中XL是感抗（單位是Ω）。例如：一個理想的10mH電感，在10 kHz時，感抗是628Ω；在100 MHz時，增加到6.2MΩ。因此在100MHz 時，此電感可以視為開路（open circuit）。在100MHz時，若讓一個訊號通過此電感，將會造成此訊號品質(zhì)的下降。
磁珠（ferrite bead）的材料是鐵鎂或鐵鎳合金，這些材料具有有很高的電阻率和磁導率，在高頻率和高阻抗下，電感內(nèi)線圈之間的電容值會最小。磁珠通常只適用于高頻電路，因為在低頻時，它們基本上是保有電感的完整特性（包含有電阻和抗性分量），因此會造成線路上的些微損失。而在高頻時，它基本上只具有抗性分量（jωL），并且抗性分量會隨著頻率上升而增加。象一些RF 電路，PLL，振蕩電路，含超高頻存儲器電路（DDR，SDRAM，RAMBUS 等）都需要在電源輸入部分加磁珠。實際上，磁珠是射頻能量的高頻衰減器。其實，可以將磁珠視為一個電阻并聯(lián)一個電感。在低頻時，電阻被電感「短路」，電流流往電感；在高頻時，電感的高感抗迫使電流流向電阻。本質(zhì)上，磁珠是一種「耗散裝置（dissipative device）」，它會將高頻能量轉(zhuǎn)換成熱能。因此，在效能上，它只能被當成電阻來解釋，而不是電感。
零歐電阻的作用如下：
1，在電路中沒有任何功能，只是在PCB 上為了調(diào)試方便或兼容設計等原因。
2，可以做跳線用，如果某段線路不用，直接補貼該電阻即可（不影響外觀）
3，在匹配電路參數(shù)不確定的時候，以0ohm代替，實際調(diào)試的時候，確定參數(shù)，再以具體數(shù)值的元件代替。
4，想測某部分電路的耗電流的時候，可以去掉0ohm電阻，接上電流表，這樣方便測耗電流。
5，在布線時，如果實在布不過去了，也可以加一個0ohm的電阻
6，在高頻信號下，充當電感或電容。（與外部電路特性有關）電感用，主要
7，單點接地（指保護接地、工作接地、直流接地在設備上相互分開，各自成為獨立系統(tǒng)。）
8，熔絲作用
?、?a href="http://ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬地和數(shù)字地單點接地
只要是地，最終都要接到一起，然后入大地。如果不接在一起就是浮地，存在壓差，容易積累電荷，造成靜電。地是參考0電位，所有電壓都是參考地得出的，地的標準要一致，故各種地應短接在一起。人們認為大地能夠吸收所有電荷，始終維持穩(wěn)定，是最終的地考點。雖然有些板子沒有接大地，但發(fā)電廠是接大地的，板子上的電源最終還是會返回發(fā)電廠入地。如果把模擬地和數(shù)字地大
面積直接相連，會導致互相干擾。不短接又不妥，理由如上有四種方法解決此問題：
1、用磁珠連接；磁珠的等效電路相當于帶阻限波器，只對某個頻點的噪聲有顯著抑制作用，使用時需要預先估計噪點頻率，以便選用適當型號。對于頻率不確定或無法預知的情況，磁珠不合。
2、用電容連接； 電容隔直通交，易造成浮地。
3、用電感連接； 電感體積大，雜散參數(shù)多，不穩(wěn)定。
4、用0 歐姆電阻連接； 0 歐電阻相當于很窄的電流通路，能夠有效地限制環(huán)路電流，使噪聲得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用（0 歐電阻也有阻抗），這點比磁珠強。
?、诳缃訒r用于電流回路
當分割電地平面后，造成信號最短回流路徑斷裂，此時，信號回路不得不繞道，形成很大的環(huán)路面積，電場和磁場的影響就變強了，容易干擾被干擾。在分割區(qū)上跨接0 歐電阻，可以提供較短的回流路徑，減小干擾。
?、叟渲秒娐?/p>
一般，產(chǎn)品上不要出現(xiàn)跳線和撥碼開關。有時用戶會亂動設置，易引起誤會，為了減少維護費用，應用0 歐電阻代替跳線等焊在板子上?？罩锰€在高頻時相當于天線，用貼片電阻效果好。
?、芷渌猛荆?/p>
A、布線時跨線 B、調(diào)試測試用 C、臨時取代其他貼片器件 D、作為溫度補
償器件更多時候是出于EMC 對策的需要。另外，0 歐姆電阻比過孔的寄生電感小，而且過孔還會影響地平面（因為要挖孔）。
?、僮鰹樘€使用。這樣既美觀，安裝也方便。
?、谠跀?shù)字和模擬等混合電路中，往往要求兩個地分開，并且單點連接。我們可以用一個0歐的電阻來連接這兩個地，而不是直接連在一起。這樣做的好處就是，地線被分成了兩個網(wǎng)絡，在大面積鋪銅等處理時，就會方便得多。附帶提示一下，這樣的場合，有時也會用電感或者磁珠等來連接。
?、圩?a target="_blank">保險絲用。由于PCB上走線的熔斷電流較大，如果發(fā)生短路過流等故障時，很難熔斷，可能會帶來更大的事故。由于0歐電阻電流承受能力比較弱（其實0歐電阻也是有一定的電阻的，只是很小而已），過流時就先將0歐電阻熔斷了，從而將電路斷開，防止了更大事故的發(fā)生。有時也會用一些阻值為零點幾或者幾歐的小電阻來做保險絲。不過不太推薦這樣來用，但有些廠商為了節(jié)約成本，就用此將就了。
?、転檎{(diào)試預留的位置?？梢愿鶕?jù)需要，決定是否安裝，或者其它的值。有時也會用*來標注，表示由調(diào)試時決定。
?、葑鳛榕渲秒娐肥褂谩＿@個作用跟跳線或者撥碼開關類似，但是通過焊接固定上去的，這樣就避免了普通用戶隨意修改配置。通過安裝不同位置的電阻，就可以更改電路的功能或者設置地址。
0歐的電阻的規(guī)格，一般是按功率來分，如1/8瓦，1/4瓦等等。