新浪博客

扼流圈的工作原理

2013-03-14 11:16阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2536139754

片式电磁干扰对策元件的特性及其应用（2）
王彦伶，陈福厚，张药西
（七星华电科技集团飞行电子总公司，北京100015）
3片式扼流圈
 扼流圈在抑制电磁干扰中具有十分重要的作用,已有多年的历史,品种繁多,几乎在所有的电子、电力产品中都离不开它。随着SMT型电路的广泛应用,近年来片式扼流圈飞速发展起来,成为现代电脑、移动通信、网络、数字音/像电子产品等中不可缺少的EMI抑制元件,具有广阔的应用和发展前景。
3.1扼流圈的基本特性
 任何1个电感器都可以看作是1个扼流圈,因为其阻抗随频率的上升几乎是线性地增加,从而可以抑制高频噪声。例如本文第一部份介绍过的铁氧体磁珠就是这样。然而在某些情况下，1个电感器或磁珠的阻抗特性满足不了抑制噪声的要求,于是人们设计制造了各种特征的扼流圈来满足不同场合的需求。
众所周知,线路中的电磁干扰电流可分为共模(Common mode)干扰和差模(Differential mode)干扰两种。共模干扰的干扰电流在电缆中的所有导线上流动的方向是相同的,是在这些导线与“地”之间形成的回路中流动的;而差模干扰的干扰电流则是在信号线与信号“地”线之间的回路中流动的。图8描述了这种情况。

片式电磁干扰对策元件的特性及其应用 - 风雨里 - 风雨里的博客

(a)差模噪声 (b)共模噪声
图8 共模干扰与差模干扰的干扰电流图
共模干扰一般是由来自外界或电路其它部份的干扰电磁波在电缆与“地”的回路中感应产生的,有时由于电缆两端部位的接“地”电位不同,也会产生共模干扰。它对电磁兼容的危害很大,一方面，共模干扰会使电缆线向外发射出强烈的电磁辐射,干扰电路的其它部份或周边电子设备;另一方面,如果电路不平衡,在电缆中不同导线上的共模干扰电流的幅度、相位发生差异时,共模干扰则会转变成差模干扰,将严重影响正常信号的质量,所以人们都在努力抑制共模干扰。
差模干扰主要是电路中其它部份产生的电磁干扰经过传导或耦合的途径进入信号线回路,如高次谐波、自激振荡、电网干扰等。由于差模干扰电流与正常的信号电流同时、同方向在回路中流动,所以它对信号的干扰是严重的,必须设法抑制。
综上所述可知,为了达到电磁兼容的要求,对共模干扰和差模干扰都应设法抑制。为了有效地抑制共模与差模干扰,人们设计制造了共模扼流圈、差模扼流圈和双模(共模/差模)扼流圈。
图9表示出共摸扼流圈的基本结构和工作原理。它是在1个磁芯上绕制两个完全相同的线圈,但绕制方向相反。如图9(a)所示,当差模电流流过时,两个线圈所产生的磁力线方向相反,相互抵消,因而在大电流下磁芯也不致饱和,而且对差模信号的阻抗是很低的,这一特征是很重要的;反之,当共模电流流过时,如图9(b)所示,两个线圈所产生的磁力线方向相同,相互叠加,所以对共模信号的阻抗相当高,因而对共模干扰起到了有力的抑制作用。这就是说，1个共模扼流圈在有效地对共模干扰进行抑制时,对有用的信号(信号都是差模传输)影响却很小,而且其阻抗随频率上升曲线的形态比较陡峭,即若将它看作1个低通滤波器时,其形态因子(shapefactor)较高,因而即便是信号频率与噪声频率相当临近甚至在相同频带时,它仍然能够很好地抑制共模噪声,而对信号不产生明显的影响，而且不易饱和。这些性能就是共模扼流圈的基本特征。

片式电磁干扰对策元件的特性及其应用 - 风雨里 - 风雨里的博客
（a）差模电流情况 （b）共模电流情况
图9 共模扼流圈的基本结构
应当指出,上面所述的只是理想情况。实际上有差模电流时,磁芯上绕制的两个线圈所产生的磁力线在磁芯内部不可能完全抵消,因而存在差模磁通,在大电流时仍会造成磁芯的饱和。所以，在使用共模扼流圈时,应将差模电流Id限制在N·Bmax·A/Ld以内,其中N为线圈匝数,Bmax是磁芯所能承受的最大磁感应强度,A为磁芯截面积,Ld为差模电感(将两个绕组串联后测出的电感,见本文)。此外,在线圈的外部，空间磁力线发散出去,将造成辐射干扰,也是必须关注的问题。
差模扼流圈是在同1磁芯上绕制2个完全相同的线圈,绕制方向相同。这两个线圈分别串接在信号线和信号“地”线上。从原理上讲,差模扼流圈与采用2个单个的电感器的效果是一致的。但差模扼流圈仅使用1个磁芯,因而它与2个单个的电感器相比较,具有结构紧凑、体积小、使用方便、节省PCB面积和提高安装速度的优点。
双模扼流圈(共模/差模扼流圈)是由1个共摸扼流圈和1个差模扼流圈串联而成,综合了二者的特征。在某些情况,需要使用这种元件才能达到满意的EMI抑制效果。本文后面将予以介绍。
本文第一部份中介绍过的磁珠在很多场合可以用来抑制共模干扰和差模干扰,而且体积小、价格低、使用方便,但它有不足之处,如其形态因子较小,因而当信号频率与噪声频率接近时,磁珠在抑制噪声的同时将对信号产生严重的影响,造成信号的畸变;对共模电流和差模电流的抑制是相同的,没有区别;另一不足之处是在大电流时容易达到饱和,特别是在叠加直流的情况下,磁珠不能很好地抑制噪声。如上所述,为了更有效地抑制共模与差模干扰,人们设计制造了共模扼流圈、差模扼流圈和双模(共模/差模)扼流圈。近年来,世界各大电子元件公司(如日本的村田、TDK、太诱、我国的深圳南虹电子陶瓷公司等)已使这3种扼流圈成功地片式化,满足了表面贴装电路的需求。片式扼流圈成为EMI对策元件家族中的佼佼者,下面做些简要介绍。
3.2片式扼流圈的分类及其应用
 国内外一些电子元件厂家已经采用精密陶瓷叠层技术、精密绕线技术、薄膜技术、低温陶瓷共烧（LTCC）技术制造出各种性能优良的微小型片式扼流圈,广泛应用在PC、NC、PDA、PHS、GSM、CDMA、GPS、W LAN、ADSL、USB、LVDS、MP3、DVD、DTV等电子产品中。
3.2.1简单片式扼流圈
如上所述,原则上可将1个普通的电感器看成是1个简单的扼流圈。本文第一部份介绍的片式电感器和磁珠就是1个简单片式扼流圈,在此不再重述。
3.2.2片式共模扼流圈
片式共模扼流圈由2个方向相反的线圈耦合而成,其磁耦合系数不可能达到1.0,一般在0.95以上。因此,它既有共模阻抗也有差模阻抗。片式共模扼流圈的电路、测量方法及其典型阻抗特性曲线如图10所示。可以看出,其共模阻抗比差模阻抗高几十倍。这样,在有效地抑制共模噪声的同时，对正常的差模信号不产生不利的影响。这种特性特别适合于噪声的频率与信号的频率处于相近甚至相同的频带内的特殊情况,在这种情况下,其它的EMI抑制元件很难将噪声与信号区别开来。这一特性是片式共模扼流圈的独特优点,因而得到广泛的应用。

片式电磁干扰对策元件的特性及其应用 - 风雨里 - 风雨里的博客
（a）典型阻抗特性曲线 （b）测量电路
图10 片式共模扼流圈的电路和典型阻抗特性曲线
虽然片式共模扼流圈只含2个磁耦合线圈,但由于分布参数的影响及相互磁耦合,以致使片式共模扼流圈的实际等效电路比较复杂,图11是TDK提供的片式共模扼流圈的等效电路。

片式电磁干扰对策元件的特性及其应用 - 风雨里 - 风雨里的博客
图11 共模扼流圈的等效电路
日本的村田、TDK、太诱、TOKO及我国的深圳南虹等公司都开发了多种型号的片式共模扼流圈。日本村田公司采用先进的铁氧体/薄膜工艺技术制造出多种体积小、性能优异的片式共模铁氧体扼流圈。如DLP3216S型产品，尺寸为3.2mm×1.6mm×1.15mm，图12是其外观照片。这种共模扼流圈的耦合系数达到0.98以上,因而差模阻抗很小,一般在10Ω以下,其阻抗特性曲线如图13所示,图中所标型号为村田公司的产品型号，在100MHz时,共模阻抗可高达550Ω。所以特别适用于高速数字电子产品(如计算机和外设)中的高速信号线。
另一种DLP11S型号的共模扼流圈是为USB2.0开发的,体积仅为1.25mm×1.0mm×0.82mm,在100MHz时,其共模阻抗分别为90Ω、120Ω、160Ω、200Ω,而差模阻抗均低于10Ω,额定电流为130mA～160mA,这种共模扼流圈非常适合于高速数据传输线,如USB2.0、IEEE1394、LVDS等。它可以有效地抑制共模噪声而不致造成高速数据信号波形的畸变。

片式电磁干扰对策元件的特性及其应用 - 风雨里 - 风雨里的博客
图12 共模扼流圈的外观

片式电磁干扰对策元件的特性及其应用 - 风雨里 - 风雨里的博客

　
图13铁氧体-薄膜型片式共模扼流圈的阻抗特性曲线
用精密绕线技术在磁芯上绕制导线线圈制成的共模扼流圈具有高共模阻抗的特点,其3216规格在100MHz时的共模阻抗可达2.2kΩ。
3.2.3片式差模扼流圈
片式差模扼流圈可以看成是两线的磁珠阵列,它们对噪声的抑制作用是一样的。根据布线情况,可以选用2线、4线或8线的阵列。本文第一部份已对片式磁珠阵列做过详细介绍,在此不再赘述。
3.2.4片式双模(共模/差模)扼流圈
将1个共模扼流圈和1个差模扼流圈串联在一起就是1个双模(共模/差模)扼流圈,如图14所示。它同时具有两种扼流圈的特征,即同时具有高的共模阻抗和差模阻抗。因而能够同时抑制共模噪声和差模噪声。在某些情况下这是必须的,例如在PC、MD、CD ROM、CATV、Fax等中都可能遇到这种情况。TDK生产的ACT3225型铁氧体片式双模(共模/差模)扼流圈具有代表性,其外形尺寸为3.2mm×2.5mm×2.3mm,阻抗特性曲线及测试方法如图15所示。从图中的曲线可以看出,在100MHz时的共模阻抗超过1kΩ,差模阻抗也达到300Ω。从曲线形状看,在200MHz以下为共模扼流圈特征;在200MHz以上则类似于片式铁氧体磁珠的特征,这与3.2.3节的论述是一致的。

片式电磁干扰对策元件的特性及其应用 - 风雨里 - 风雨里的博客
图14 双模(共模/差模)扼流圈的等效电路

片式电磁干扰对策元件的特性及其应用 - 风雨里 - 风雨里的博客

(b)共模测量电路 (a)阻抗特性曲线 (c)差模测量电路
　图15 片式双模(共模/差模)扼流圈的阻抗特性曲线及测量电路
3.2．5片式3绕组共模扼流圈
在一些电子线路中,有时在1根缆线中有3条导线,都需要抑制共模噪声和差模噪声。为了适应这种情况,一些厂家设计制造了片式3绕组共模扼流圈,图16是其共模和差模阻抗的定义和检测方法。TDK用铁氧体材料制造的ACM4532型片式3绕组共模扼流圈在100MHz时的共模阻抗超过1kΩ,差模阻抗约为200Ω。额定电流可达200mA,但体积较大。日本村田公司采用精密陶瓷叠层工艺制造出1种适合于音频信号线的DLM2HG型片式3绕组共模扼流圈,其外观与等效电路如图17所示,其尺寸仅为2.5mm×2.0mm×1.2mm。图18是其阻抗特性曲线。在100MHz时的差模阻抗可达2kΩ,共模阻抗约为600Ω,额定电流为100mA,直流电阻小于0.4Ω。

片式电磁干扰对策元件的特性及其应用 - 风雨里 - 风雨里的博客
(a)共模 (b)差模
图16 片式三绕组扼流圈的阻抗检测方法

片式电磁干扰对策元件的特性及其应用 - 风雨里 - 风雨里的博客

(a)外观 (b)等效电路
图17 片式叠层型三绕组共模扼流圈的外观与等效电路

片式电磁干扰对策元件的特性及其应用 - 风雨里 - 风雨里的博客

图18 片式叠层型3绕组共模扼流圈的阻抗特性曲线
众所周知,近年来便携式数字音影电子产品的市场巨大,如MP3、CD PLAYER等;手机、PDA、DVD、TV、Radio等的发展也十分迅速。在这些高速数字电子产品中,都有立体声音频信号线。图19给出这种音频信号线的结构。它由左线L、右线R和“地线”GND3条导线并行构成。在选择EMI抑制元件时,必须同时考虑抑制噪声、声音畸变、左右两线之间的交扰(soundcrosstalk)等问题。音频信号的频带一般在20Hz～20kHz,不会产生大的噪声,问题在于高速数字电路却是严重的干扰源,它产生的噪声通过传导和辐射进入音频信号线,差模噪声在L和GND回路以及R和GND回路内传导;共模噪声在L、R、GND与参考“地”之间的“回路”传导。这些噪声一方面严重影响话音的质量,一方面从耳机导线像天线一样向周围辐射，因而必须予以抑制。如果在L、R、GND3条导线上都串入1个磁珠,那么对于共模噪声来说,相当于3个磁珠并联,阻抗仅为1个磁珠的1/3，效果不佳;声音的畸变往往是电路阻抗在音频频带内发生波动引起的,一般的铁氧体磁珠的阻抗在20kHz就开始上升,所以不利于话音的质量;所谓音频信号的交扰就是L回路的信号串到R回路,或者相反。试验表明如果，选用的EMI抑制元件的阻抗在音频频段很低(在高频噪声频段必须很高),而且保持稳定,那么就不会引起交扰。此外,低直流电阻也是有益的。为了解决上述3个问题,片式磁珠不能很好地满足要求,而采用DLM2HG型片式3绕组共模扼流圈却能达到目的。在图20中，将它与铁氧体磁珠在音频段的阻抗进行了比较,可见这种片式3绕组共模扼流圈非常适合高速数字产品中的立体声音频线路。

片式电磁干扰对策元件的特性及其应用 - 风雨里 - 风雨里的博客
图19 立体声音频信号线结构示意图

片式电磁干扰对策元件的特性及其应用 - 风雨里 - 风雨里的博客

图20 片式3绕组共模扼流圈与磁珠在音频频段的阻抗
3.2.6片式大电流共模扼流圈
在AC、DC电源以及DC/DC变换器等一些电子部件中,人们经常加入共模扼流圈。这时，要求共模扼流圈能够承受较大的电流。TDK的绕线型ACM系列的额定电流为1.0A～6.0A。在100MHz时的共模阻抗为600Ω～1kΩ。日本的TaiyoYuden等公司也有类似产品。
USB电缆内包括4根导线,即电源线Vdd、地线GND、信号线D＋和D－。高速数据在D＋和D－中传输。为了抑制噪声,在Vdd和GND上都串接1个磁珠,在D＋和D－2线上接入1个共模扼流圈,抑制噪声的效果很好。由于在某些情况下,经常热插拔(hotswapping)引起的浪涌电流可高达5A，同时在鼠标的操作中,电流的起伏也近百毫安。在这种情况下选用共模扼流圈时，就要考虑它能承受的电流。
3.2.7片式共模扼流圈阵列
图21是片式共模扼流圈阵列的等效电路和外观。一般是将2个共模扼流圈封装在一起。TOKO的绕线式共模扼流圈阵列尺寸为5.3mm×5.3mm×2.5mm，能承受较大的电流。MURATA则用铁氧体 薄膜技术制造出体积仅为3.2mm×1.6mm×1.15mm的DLP31D产品,其共模阻抗为90Ω～470Ω,差模阻抗不超过10Ω。额定电流为100mA。

片式电磁干扰对策元件的特性及其应用 - 风雨里 - 风雨里的博客
（a）等效电路

我的更多文章

下载客户端阅读体验更佳

APP专享