详解共模和差模电感电路

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重要提示

所谓共模信号就是两个大小相等、方向相同的信号。

所谓差模信号就是两个大小相等、方向相反的信号。

图3-10所示是共模和差模电感器电路,这也是开关电源交流市电输入回路中的EMI滤波器,电路中的L1、L2是差模电感器,L3和L4为共模电感器,C1为X电容,C2和C3为Y电容。该电路输入220V交流市电,输出电压加到整流电路中。

共模和差模电感器电路
图3-10 共模和差模电感器电路

共模电感器电路
开关电源产生的共模噪声频率范围为 10kHz ~50MHz 甚至更高,为了有效衰减这些噪声,要求在这个频率范围内共模电感器能够提供足够高的感抗。

讲解共模电感器工作原理前应该了解共模电感器结构,这有助于理解共模电感器抑制共模高频噪声。图3-11所示是共模电感器实物图和结构示意图。

共模电感器实物图和结构示意图
图3-11 共模电感器实物图和结构示意图

重要提示

共模电感器的两组线圈绕在磁环上,绕相同的匝数,同一个方向绕制,只是一组线圈绕在左侧,另一组线圈绕在右侧。共模线圈采用高磁导率的锰锌铁氧体或非晶材料,以提高共模线圈性能

(1)正常的交流电流流过共模电感器分析。如图3-12所示,220V交流电是差模电流,它流过共模电感器L3和L4的方向如图中所示,两电感器中电流产生的磁场方向相反而抵消。这时正常信号电流主要受电感器电阻的影响(这一影响很小),以及少量因漏感造成的阻尼(电感),加上220V交流电的频率只有50Hz,共模电感器电感量不大,所以共模电感器对于正常的220V交流电感抗很小,不影响220V交流电对整机的供电。

交流电差模电流流过共模电感器示意图
图3-12 交流电差模电流流过共模电感器示意图

(2)共模电流流过共模电感器分析。当共模电流流过共模电感器时,电流方向如图3-13所示。由于共模电流在共模电感器中为同方向,电感器L3和L4内产生同方向的磁场,这时增大了电感器L3、L4的电感量,也就是增大了L3、L4对共模电流的感抗,使共模电流受到了更大的抑制,达到衰减共模电流的目的,起到了抑制共模干扰噪声的作用。

共模电流流过共模电感器示意图
图3-13 共模电流流过共模电感器示意图

加上两只Y电容C2和C3对共模干扰噪声的滤波作用,共模干扰得到了明显的抑制。


图3-14所示是差模电感器实物图和结构示意图,显然它与共模电感器不同。

差模电感器实物图和结构示意图,显然它与共模电感器不同
图3-14 差模电感器实物图和结构示意图

差模电感器磁芯材料有3种。铁硅铝磁粉芯的单位体积成本最低,因此最适合制作民用差模电感器。铁镍50和铁镍钼磁粉芯的价格远远高于铁硅铝磁粉芯,更适合军用和一些对体积和性能要求高的场合。

图3-15所示是差模电感器电路,差模电感器L1、L2与X电容串联构成回路,因为L1、L2对差模高频干扰的感抗大,而X电容C1对高频干扰的容抗小,这样将差模干扰噪声滤除,而不能加到后面的电路中,达到抑制差模高频干扰噪声的目的。

差模电感器电路
图3-15 差模电感器电路

图3-16所示是开关电源电路板中差模电感器和共模电感器位置图,利用这两种电感器外形特征的不同可以方便地区分它们。另外,一些开关电源中利用共模电感器漏感来代替差模电感器,这时在开关电源电路板上就见不到差模电感器。

开关电源电路板中差模电感器和共模电感器位置图
图3-16 开关电源电路板中差模电感器和共模电感器位置图

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