【導(dǎo)讀】電源濾波器的設(shè)計(jì)通常可從共模和差模兩方面來(lái)考慮。共模濾波器最重要的部分就是共模扼流圈，與差模扼流圈相比，共模扼流圈的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)在于它的電感值極高，而且體積又小，設(shè)計(jì)共模扼流圈時(shí)要考慮的一個(gè)重要問題是它的漏感，也就是差模電感。
共模電感和差模電感
通常，計(jì)算漏感的辦法是假定它為共模電感的1%，實(shí)際上漏感為共模電感的 0.5% ～ 4%之間。在設(shè)計(jì)最優(yōu)性能的扼流圈時(shí)，這個(gè)誤差的影響可能是不容忽視的。
漏感的重要性
漏感是如何形成的呢？緊密繞制，且繞滿一周的環(huán)形線圈，即使沒有磁芯，其所有磁通都集中在線圈“芯”內(nèi)。但是，如果環(huán)形線圈沒有繞滿一周，或者繞制不緊密，那么磁通就會(huì)從芯中泄漏出來(lái)。這種效應(yīng)與線匝間的相對(duì)距離和螺旋管芯體的磁導(dǎo)率成正比。共模扼流圈有兩個(gè)繞組，這兩個(gè)繞組被設(shè)計(jì)成使它們所流過的電流沿線圈芯傳導(dǎo)時(shí)方向相反，從而使磁場(chǎng)為0。如果為了安全起見，芯體上的線圈不是雙線繞制，這樣兩個(gè)繞組之間就有相當(dāng)大的間隙，自然就引起磁通“泄漏”，這即是說，磁場(chǎng)在所關(guān)心的各個(gè)點(diǎn)上并非真正為0。共模扼流圈的漏感是差模電感。事實(shí)上，與差模有關(guān)的磁通必須在某點(diǎn)上離開芯體，換句話說，磁通在芯體外部形成閉合回路，而不僅僅只局限在環(huán)形芯體內(nèi)。
如果芯體具有差模電感，那么，差模電流就會(huì)使芯體內(nèi)的磁通發(fā)生偏離零點(diǎn)，如果偏離太大，芯體便會(huì)發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，使共模電感基本與無(wú)磁芯的電感一樣。結(jié)果，共模輻射的強(qiáng)度就如同電路中沒有扼流圈一樣。差模電流在共模環(huán)形線圈中引起的磁通偏離可由下式得出：
式中，是芯體中的磁通變化量，Ldm是測(cè)得的差模電感，是差模峰值電流，n為共模線圈的匝數(shù)。
由于可以通過控制B總，使之小于B飽和，從而防止芯體發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，有以下法則：
式中，是差模峰值電流，Bmax是磁通量的最大偏離，n是線圈的匝數(shù)，A是環(huán)形線圈的橫截面積。Ldm是線圈的差模電感。
共模扼流圈的差模電感可以按如下方法測(cè)得：將其一引腿兩端短接，然后測(cè)量另外兩腿間的電感，其示值即為共模扼流圈的差模電感。
共模扼流圈綜述
濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，假定共模與差模這兩部分是彼此獨(dú)立的。然而，這兩部分并非真正獨(dú)立，因?yàn)楣材６罅魅梢蕴峁┫喈?dāng)大的差模電感。這部分差模電感可由分立的差模電感來(lái)模擬。
為了利用差模電感，在濾波器的設(shè)計(jì)過程中，共模與差模不應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，而應(yīng)該按照一定的順序來(lái)做。首先，應(yīng)該測(cè)量共模噪聲并將其濾除掉。采用差模抑制網(wǎng)絡(luò)（Differential Mode Rejection NETWORK），可以將差模成分消除，因此就可以直接測(cè)量共模噪聲了。如果設(shè)計(jì)的共模濾波器要同時(shí)使差模噪聲不超過允許范圍，那么就應(yīng)測(cè)量共模與差模的混合噪聲。因?yàn)橐阎材３煞衷谠肼暼菹抟韵拢虼顺瑯?biāo)的僅是差模成分，可用共模濾波器的差模漏感來(lái)衰減。對(duì)于低功率電源系統(tǒng)，共模扼流圈的差模電感足以解決差模輻射問題，因?yàn)椴钅］椛涞脑醋杩馆^小，因此只有極少量的電感是有效的。
盡管少量的差模電感非常有用，但太大的差模電感可以使扼流圈發(fā)生磁飽和。可根據(jù)公式（2）作簡(jiǎn)單計(jì)算來(lái)避免磁飽和現(xiàn)象的發(fā)生。
用LISN原理測(cè)量共模扼流圈飽和特性的方法
測(cè)量共模線圈磁芯（整體或部分）的飽和特性通常是很困難的。通過簡(jiǎn)單的試驗(yàn)可以看出共模濾波器的衰減在多大程度上受由60Hz編置電流引起的電感減小量的影響。進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)試需要一臺(tái)示波器和一個(gè)差模抑制網(wǎng)絡(luò)（DMRN）。首先，用示波器來(lái)監(jiān)測(cè)線電壓。按如下方法從示波器的A通道輸入信號(hào)，將示波器的時(shí)間基準(zhǔn)置為2ms/div，然后將觸發(fā)信號(hào)加在A通道上，在交流電壓達(dá)到峰值時(shí)會(huì)有線電流產(chǎn)生，此時(shí)濾波器效能的降級(jí)是意料中的事情。差模抑制網(wǎng)絡(luò)（DMRN）的輸入端連接到LISN，輸出端用50的阻抗進(jìn)行匹配且與示波器的B通道相連。當(dāng)共模扼流圈工作在線性區(qū)時(shí)，在輸入電流波動(dòng)期間，B通道監(jiān)測(cè)到的發(fā)射增加值不超過6—10DB。圖1為此測(cè)試在示波器上顯示的結(jié)果，上面的曲線為共模發(fā)射；下面的曲線為線電壓。在線電壓峰值期間，橋式整流器正向?qū)ㄇ覀魉统潆婋娏鳌?/div>
圖1：示波器上顯示的由于60Hz充電電流引起的共模扼流圈的降級(jí)
如果共模扼流圈達(dá)到飽和，那么在輸入浪涌增加時(shí)，發(fā)射將會(huì)增加。如果共模扼流圈達(dá)到強(qiáng)飽和，發(fā)射強(qiáng)度與不加濾波器時(shí)的情況是一樣的，也就是說很容易達(dá)到40dB以上。
這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可用其他方法來(lái)解釋。發(fā)射最小值（線電流為0的時(shí)候）是濾波器無(wú)偏置電流時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的效果。峰值發(fā)射與最小發(fā)射的比率，即降級(jí)因子，用來(lái)衡量線電流偏移量對(duì)濾波器實(shí)際效果的影響。降級(jí)因子較大表明共模扼流圈磁芯完全沒有得到恰當(dāng)?shù)氖褂茫^好的濾波器的“固有降級(jí)因子”差不多在2—4之間。它是由兩種現(xiàn)象產(chǎn)生的：第一，60Hz充電電流引起的電感減小（如上所述）；第二，橋式整流器的正向及反向?qū)ā９材０l(fā)射的等效電路由一個(gè)阻抗約為200PF的電壓源、二極管阻抗和LISN的共模阻抗組成，如圖2所示。當(dāng)橋式整流器正向偏置時(shí)，在源阻抗、25和LISN共模阻抗之間會(huì)產(chǎn)生分壓現(xiàn)象。當(dāng)橋整流器反向偏置時(shí)，在源阻抗、整流橋反偏電容、LISN之間產(chǎn)生分壓現(xiàn)象。當(dāng)二極管整流橋反向偏置電容較小時(shí)，對(duì)共模濾除有一定效果。當(dāng)整流橋正向偏置時(shí)則對(duì)共模濾除沒有影響。
圖2：共模輻射等效電路
由于產(chǎn)生了分壓，固有降級(jí)因子的預(yù)期值為2左右。實(shí)際值的變化相當(dāng)大，主要取決于源阻抗和二極管整流橋反向偏置電容的實(shí)際大小。在Flugan發(fā)明的一個(gè)電路中，正是應(yīng)用這個(gè)原理來(lái)減小鎮(zhèn)流器的傳導(dǎo)發(fā)射的。
用電流原理測(cè)量共模扼流圈飽和特性的方法
如果測(cè)試人員相當(dāng)謹(jǐn)慎，那么就可以采取類似MIL-STD-461中的測(cè)試裝置來(lái)檢測(cè)共模扼流圈的飽和特性。這個(gè)原理的應(yīng)用如下：測(cè)試時(shí)采用兩只電流探頭，低頻探頭監(jiān)測(cè)線電流，高頻探頭僅測(cè)量共模發(fā)射電流。線電流監(jiān)視器作為觸發(fā)源。不過，使用電流探頭的一個(gè)隱患是差模電流衰減是管芯內(nèi)繞組導(dǎo)線對(duì)稱性的函數(shù)。如果精心合理安排繞線布局的話，30DB左右的差模電流衰減是能夠得到的。即使達(dá)到這個(gè)衰減值，測(cè)得的差模分量也可能超過預(yù)期的共模分量值。可用如下兩項(xiàng)技術(shù)來(lái)解決這一問題：第一，將一只6kHz轉(zhuǎn)折頻率的高階高通濾波器與示波器串聯(lián)（注意應(yīng)用50的終端阻抗進(jìn)行匹配）。第二，在每只10μF的電容與電源總線之間接入一根導(dǎo)線。為了測(cè)量共模輻射，電流探頭應(yīng)夾在這些載有極小線電流的導(dǎo)線近旁。
共模扼流圈內(nèi)存在的差模與共模磁通
為了快速且淺顯地介紹共模扼流圈的作用，可考慮采用以下論述：“共模扼流圈管芯兩側(cè)的磁場(chǎng)相互抵消，因此不存在磁通使管芯飽和。”盡管這種論述對(duì)共模扼流圈作用的直覺敘述具體化了，但實(shí)質(zhì)上并非如此。
參考以下圍繞麥克斯韋方程所進(jìn)行的討論：
假設(shè)電流密度J產(chǎn)生磁場(chǎng)H，那么就可得出結(jié)論：附近的另一個(gè)電流不會(huì)抵消或阻止磁場(chǎng)或者是由此而產(chǎn)生的電場(chǎng)。
同樣一個(gè)相鄰的電流可以導(dǎo)致磁場(chǎng)路徑的改變。
在環(huán)形共模電感的特殊場(chǎng)合中，每條引線中的差模電流密度可假定是相等的，且方向相反。所以由此而產(chǎn)生的磁場(chǎng)必定在環(huán)形磁芯周邊上的總和為0，而在其外部則不為0！
磁芯的作用就好象它在線圈繞組的間隙處裂為兩半時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的效果一樣。每個(gè)繞組在環(huán)形線圈一半的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，意指穿過空氣的磁場(chǎng)必定會(huì)形成自封閉回路，下圖是環(huán)形磁芯和差模電流磁路的示意圖。
