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EMC滤波器|电源滤波器中共模电感的测量与诊断

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发表于 2008-1-28 10:09:03 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 电源滤波器的设计通常可从共模和差模两方面来考虑。共模滤波器最重要的部分就是共模扼流圈,与差模扼流圈相比,共模扼流圈的一个显著优点在于它的电感值极高,而且体积又小,设计共模扼流圈时要考虑的一个重要问题是它的漏感,也就是差模电感。通常,计算漏感的办法是假定它为共模电感的 1% ,实际上漏感为共模电感的 0&#46;5% ~ 4% 之间。在设计最优性能的扼流圈时,这个误差的影响可能是不容忽视的。 <br />&nbsp;&nbsp;&nbsp; 1&nbsp;&nbsp;&nbsp; 漏感的重要性 <br /> 漏感是如何形成的呢?紧密绕制,且绕满一周的环形线圈,即使没有磁芯,其所有磁通都集中在线圈 “ 芯 ” 内。但是,如果环形线圈没有绕满一周,或者绕制不紧密,那么磁通就会从芯中泄漏出来。这种效应与线匝间的相对距离和螺旋管芯体的磁导率成正比。共模扼流圈有两个绕组,这两个绕组被设计成使它们所流过的电流沿线圈芯传导时方向相反,从而使磁场为 0 。如果为了安全起见,芯体上的线圈不是双线绕制,这样两个绕组之间就有相当大的间隙,自然就引起磁通 “ 泄漏 ” ,这即是说,磁场在所关心的各个点上并非真正为 0 。共模扼流圈的漏感是差模电感。事实上,与差模有关的磁通必须在某点上离开芯体,换句话说,磁通在芯体外部形成闭合回路,而不仅仅只局限在环形芯体内。 <br />&nbsp;&nbsp;&nbsp; 如果芯体具有差模电感,那么,差模电流就会使芯体内的磁通发生偏离零点,如果偏离太大,芯体便会发生磁饱和现象,使共模电感基本与无磁芯的电感一样。结果,共模辐射的强度就如同电路中没有扼流圈一样。差模电流在共模环形线圈中引起的磁通偏离可由下式得出: <p><img src="http://www&#46;dianyuangu&#46;com/jiaocheng/tupian/126/1&#46;gif" border="0" />&nbsp;</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 式中,是芯体中的磁通变化量, Ldm 是测得的差模电感,是差模峰值电流, n 为共模线圈的匝数。由于可以通过控制 B 总,使之小于 B 饱和,从而防止芯体发生磁饱和现象,有以下法则:</p><p><img src="http://www&#46;dianyuangu&#46;com/jiaocheng/tupian/126/2&#46;gif" border="0" /></p><p> 式中,是差模峰值电流, Bmax 是磁通量的最大偏离, n 是线圈的匝数, A 是环形线圈的横截面积。 Ldm 是线圈的差模电感。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 共模扼流圈的差模电感可以按如下方法测得:将其一引腿两端短接,然后测量另外两腿间的电感,其示值即为共模扼流圈的差模电感。 <br /> 2&nbsp;&nbsp;&nbsp; 共模扼流圈综述 <br /> 滤波器设计时,假定共模与差模这两部分是彼此独立的。然而,这两部分并非真正独立,因为共模扼流圈可以提供相当大的差模电感。这部分差模电感可由分立的差模电感来模拟。 <br /> 为了利用差模电感,在滤波器的设计过程中,共模与差模不应同时进行,而应该按照一定的顺序来做。首先,应该测量共模噪声并将其滤除掉。采用差模抑制网络( Differential Mode Rejection Network ),可以将差模成分消除,因此就可以直接测量共模噪声了。如果设计的共模滤波器要同时使差模噪声不超过允许范围,那么就应测量共模与差模的混合噪声。因为已知共模成分在噪声容限以下,因此超标的仅是差模成分,可用共模滤波器的差模漏感来衰减。对于低功率电源系统,共模扼流圈的差模电感足以解决差模辐射问题,因为差模辐射的源阻抗较小,因此只有极少量的电感是有效的。 <br /> 尽管少量的差模电感非常有用,但太大的差模电感可以使扼流圈发生磁饱和。可根据公式( 2 )作简单计算来避免磁饱和现象的发生。 <br />&nbsp;&nbsp;&nbsp; 3&nbsp;&nbsp;&nbsp; 用 LISN 原理测量共模扼流圈饱和特性的方法 <br />&nbsp;&nbsp;&nbsp; 测量共模线圈磁芯(整体或部分)的饱和特性通常是很困难的。通过简单的试验可以看出共模滤波器的衰减在多大程度上受由 60Hz 编置电流引起的电感减小量的影响。进行此项测试需要一台示波器和一个差模抑制网络( DMRN )。首先,用示波器来监测线电压。按如下方法从示波器的 A 通道输入信号,将示波器的时间基准置为 2ms/div ,然后将触发信号加在 A 通道上,在交流电压达到峰值时会有线电流产生,此时滤波器效能的降级是意料中的事情。差模抑制网络( DMRN )的输入端连接到 LISN ,输出端用 50 的阻抗进行匹配且与示波器的 B 通道相连。当共模扼流圈工作在线性区时,在输入电流波动期间, B 通道监测到的发射增加值不超过 6—10dB 。图 1 为此测试在示波器上显示的结果,上面的曲线为共模发射;下面的曲线为线电压。在线电压峰值期间,桥式整流器正向导通且传送充电电流。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; <img src="http://www&#46;dianyuangu&#46;com/jiaocheng/tupian/126/3&#46;gif" border="0" /><br />图 1 示波器上显示的由于 60Hz 充电电流引起的共模扼流圈的降级</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 如果共模扼流圈达到饱和,那么在输入浪涌增加时,发射将会增加。如果共模扼流圈达到强饱和,发射强度与不加滤波器时的情况是一样的,也就是说很容易达到 40dB 以上。</p><p><span style="FONT-SIZE: 9pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; mso-bidi-font-family: 'Times New Roman'; mso-font-kerning: 1&#46;0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA">到</span><span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 9pt; FONT-FAMILY: "Times New Roman"; mso-font-kerning: 1&#46;0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA; mso-fareast-font-family: 宋体"><a href="http://www&#46;emcgarden&#46;net/"><span lang="EN-US" style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'"><span lang="EN-US">电磁兼容</span></span>(EMC)<span lang="EN-US" style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'"><span lang="EN-US">和电磁干扰</span></span>(EMI)<span lang="EN-US" style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'"><span lang="EN-US">学习园地</span></span></a>( <a href="http://www&#46;emcgarden&#46;net/">http://www&#46;emcgarden&#46;net</a> )</span><span style="FONT-SIZE: 9pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; mso-bidi-font-family: 'Times New Roman'; mso-font-kerning: 1&#46;0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA">学习各种电磁兼容</span><span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 9pt; FONT-FAMILY: "Times New Roman"; mso-font-kerning: 1&#46;0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA; mso-fareast-font-family: 宋体">(EMC)</span><span style="FONT-SIZE: 9pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; mso-bidi-font-family: 'Times New Roman'; mso-font-kerning: 1&#46;0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA">设计整改经验知识以及各种电磁干扰</span><span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 9pt; FONT-FAMILY: "Times New Roman"; mso-font-kerning: 1&#46;0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA; mso-fareast-font-family: 宋体">(EMI)</span><span style="FONT-SIZE: 9pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; mso-bidi-font-family: 'Times New Roman'; mso-font-kerning: 1&#46;0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA">解决措施,到</span><span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 9pt; FONT-FAMILY: "Times New Roman"; mso-font-kerning: 1&#46;0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA; mso-fareast-font-family: 宋体"><a href="http://www&#46;studyemc&#46;net/"><span lang="EN-US" style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'"><span lang="EN-US">电磁兼容</span></span>(EMC)<span lang="EN-US" style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'"><span lang="EN-US">和电磁干扰</span></span>(EMI)<span lang="EN-US" style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'"><span lang="EN-US">下载园地</span></span></a>( <a href="http://www&#46;studyemc&#46;net/">http://www&#46;studyemc&#46;net</a> )</span><span style="FONT-SIZE: 9pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; mso-bidi-font-family: 'Times New Roman'; mso-font-kerning: 1&#46;0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA">下载各种</span><span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 9pt; FONT-FAMILY: "Times New Roman"; mso-font-kerning: 1&#46;0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA; mso-fareast-font-family: 宋体">EMC</span><span style="FONT-SIZE: 9pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; mso-bidi-font-family: 'Times New Roman'; mso-font-kerning: 1&#46;0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA">标准和</span><span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 9pt; FONT-FAMILY: "Times New Roman"; mso-font-kerning: 1&#46;0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA; mso-fareast-font-family: 宋体">EMC</span><span style="FONT-SIZE: 9pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; mso-bidi-font-family: 'Times New Roman'; mso-font-kerning: 1&#46;0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA">资料以及安规防雷静电放电</span><span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 9pt; FONT-FAMILY: "Times New Roman"; mso-font-kerning: 1&#46;0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA; mso-fareast-font-family: 宋体">ESD</span><span style="FONT-SIZE: 9pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; mso-bidi-font-family: 'Times New Roman'; mso-font-kerning: 1&#46;0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA">等资料。</span>&nbsp;<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp; 这些实验数据可用其他方法来解释。发射最小值(线电流为 0 的时候)是滤波器无偏置电流时表现出来的效果。峰值发射与最小发射的比率,即降级因子,用来衡量线电流偏移量对滤波器实际效果的影响。降级因子较大表明共模扼流圈磁芯完全没有得到恰当的使用,较好的滤波器的 “ 固有降级因子 ” 差不多在 2—4 之间。它是由两种现象产生的:第一, 60Hz 充电电流引起的电感减小(如上所述);第二,桥式整流器的正向及反向导通。共模发射的等效电路由一个阻抗约为 200pF 的电压源、二极管阻抗和 LISN 的共模阻抗组成,如图 2 所示。当桥式整流器正向偏置时,在源阻抗、 25 和 LISN 共模阻抗之间会产生分压现象。当桥整流器反向偏置时,在源阻抗、整流桥反偏电容、 LISN 之间产生分压现象。当二极管整流桥反向偏置电容较小时,对共模滤除有一定效果。当整流桥正向偏置时则对共模滤除没有影响。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; <img src="http://www&#46;dianyuangu&#46;com/jiaocheng/tupian/126/4&#46;gif" border="0" /><br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 图 2 共模辐射等效电路</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 由于产生了分压,固有降级因子的预期值为 2 左右。实际值的变化相当大,主要取决于源阻抗和二极管整流桥反向偏置电容的实际大小。在 Flugan 发明的一个电路中,正是应用这个原理来减小镇流器的传导发射的。</p>
发表于 2008-2-3 09:18:14 | 显示全部楼层
磁性材料的选择看似简单,其实很有内容,文章不错,虽然理论不怎么懂看基本的还是看的懂的,以后设计时会注意的,尤其是我们做大于1WKVA功率的滤波器时磁饱和现象尤其明显!

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