共模电感的工作原理与设计原则详解

共模电感的工作原理与设计原则详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_43199439/article/details/140867505

共模电感（Common mode Choke），也叫共模扼流圈，常用于电脑的开关电源中过滤共模的电磁干扰信号。在板卡设计中，共模电感也是起EMI滤波的作用，用于抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射。

共模电感器的原理和功能可以用几个关键概念来说明：

共模与差模信号

• 共模信号：指两个信号的幅度相等且相位相同的信号。这种信号通常由外部干扰（如电网噪声）引入，可能会影响电路的正常工作。
• 差模信号：指两个信号的幅度相等但相位相反的信号。在这种情况下，信号能够相互抵消，通常是电路中正常工作信号的一部分。

共模电感器的结构

• 共模电感器由两个匝数相同的线圈对称地绕制在一个铁氧体环形磁芯上，形成一个四端器件。这样的设计使得它能够对共模信号提供大的电感，而对差模信号则提供较小的电感。

工作原理

• 当共模电流流过电感器时，两个线圈中的电流方向相同，导致磁通量叠加，从而使得电感量增大。根据公式 ( L = N\Phi/I )，其中 ( \Phi ) 是磁通量， ( N ) 是线圈匝数， ( I ) 是电流，因此共模信号会产生相对较大的电感。
• 对于差模信号，两个线圈中的电流方向相反，因此产生的磁通相互抵消，导致电感量几乎为零，使得差模信号几乎不受影响。

右手定则

• 右手定则用于确定电流产生的磁场方向。大拇指指向电流方向，其他四指围绕线圈的方向弯曲，即可确定磁力线的方向。
• 对于共模信号，两个线圈的电流方向相同，磁力线方向一致，产生的磁场加强。
• 对于差模信号，两个线圈的电流方向相反，磁力线方向相反，产生的磁场相互抵消。

实例和比喻

• 可以将共模电流比喻为两个人手牵手一起走，形成的合力增强了；而差模电流则像是两个人背对背用力拉扯，最终彼此抵消了力量。

应用场景

• 共模电感器通常用于抑制电源线中的共模干扰，确保电路的正常工作并减少对周围环境的干扰。

通过这些概念的结合，您可以更清楚地理解共模电感器的原理及其在电路中的重要性。

共模信号的滤除主要依赖于电感器的工作机制及其对电流的反应。以下是详细的解释：

共模信号滤除的机制

1. 共模电流的流动

• 当电流在共模电感器中流动时，如果电流方向相同（即共模电流），那么两个线圈中流过的电流方向一致。根据电感的基本原理，这种情况下两个线圈的磁场会相互叠加，形成一个增强的整体磁场。

2. 电感的阻抗作用

• 由于共模信号产生的磁场增强，电感器对这些共模电流表现出高阻抗。根据电感的特性，电感器会对变化的电流产生反向电动势（EMF），这会对电流的流动产生阻碍。
• 这种高阻抗效果导致共模信号的幅度在通过共模电感器时显著减小，从而“滤除”共模干扰。

3. 差模信号的行为

• 对于差模信号（即两个电流相等但方向相反），由于流经共模电感器的两个电流方向相反，两个线圈中产生的磁场会相互抵消，最终导致电感器对差模信号的影响非常小，几乎不产生阻抗。
• 因此，差模信号几乎可以无衰减地通过共模电感器，而共模信号则会被有效衰减。

实例说明

假设一个电路的电源线中有共模干扰信号（比如电网噪声），其电流如下：

• 共模信号：假设电流 ( I_1 ) 和 ( I_2 ) 相同且方向相同（如流入线圈1和线圈2），电感器对这两个信号的总磁通量将增加，因此电感量增大，导致对共模信号的高阻抗，干扰信号的幅度显著降低。
• 差模信号：当电流 ( I_1 ) 和 ( I_2 ) 相等但方向相反（如 ( I_1 ) 流入线圈1，( I_2 ) 流入线圈2），则两个线圈产生的磁场互相抵消，最终导致电感器几乎对这个信号没有阻抗，允许差模信号通过。

总结

通过这个机制，共模电感器能够有效地抑制共模信号的影响，而对差模信号保持相对透明，从而在电路中实现对干扰的有效滤除。

下面将理论和举例结合在一起，用简单易懂的方式来解释共模电感器的设计原则。

共模电感器的设计原则

1. 不让电流过大

• 理论：在正常使用时，电流不能太大，否则共模电感器就会进入饱和状态，就像橡皮筋被拉得太紧，最后会断掉。
• 举例：想象你用橡皮筋绑东西，如果拉得太紧，橡皮筋就会断，绑不住东西。共模电感器也一样，要确保电流在安全范围内，以避免失去抑制噪声的能力。

2. 要能挡住高频噪音

• 理论：共模电感器应该能很好地挡住高频的干扰信号，就像一个过滤器，能让干净的水通过，却能把脏水过滤掉。
• 举例：你在河里捞鱼，使用网捞小鱼，这个网可以让水流过去，但会把鱼捞上来。共模电感器也是要这样，挡住坏信号，让好信号通过。

3. 温度变化时要稳定

• 理论：共模电感器的性能不能随着温度变化而变化，就像冰淇淋在阳光下融化，会变得不一样。
• 举例：如果你有一支铅笔，在热天它的笔芯不应该变软。电感器在不同温度下也要保持性能的稳定，以确保正常工作。

4. 要让电流流得顺畅

• 理论：共模电感器的直流电阻（Rdc）要小，这样电流能顺利通过，不会浪费能量。
• 举例：想象一条河，如果河流畅通，水流就会很快。如果河道有很多障碍物，水流就会变得缓慢。共模电感器也需要让正常信号顺畅通过，以提高效率。

5. 电感值要稳定

• 理论：电感器的电感值需要保持稳定，不能随便变化，这样才能有效阻挡干扰信号。
• 举例：就像你有一个可以称重的秤，秤的指针必须总是在同一个地方，才能准确显示物体的重量。电感器也需要保持电感值的稳定，以确保其性能。

6. 绝缘要好

• 理论：电感器的部分之间要有好的绝缘，这样就不会让电流跑到不该去的地方。
• 举例：用绝缘胶带把电线包起来，可以避免短路。共模电感器的绝缘性能要好，才能保护电路不受损坏。

7. 尽量绕成单层

• 理论：共模电感器的线圈要尽量绕成一层，减少线圈之间的寄生电容，这样能增强其对瞬时过压的承受能力。
• 举例：想象你用橡皮筋绕成一圈，圈太厚了，容易断。单层绕制会让橡皮筋更牢固。共模电感器也要尽量单层绕制，以增强其抗压能力。

总结

通过遵循这些设计原则，共模电感器能够有效地抑制共模噪声，保护电路不受干扰，就像一个能过滤脏水的网，让清水流过。这样能帮助我们更好地使用电子设备，保证设备的正常工作和安全。