利用混成式共模電感抑制傳導電磁干擾

Application Note
System Engineer / 王信雄
AN008 – April 2014
利用混成式共模電感抑制傳導電磁干擾
Conducted EMI Reduction by means of Hybrid Common Choke
摘要
EMI 抑制方案有許多組合，包括濾波器組合、變壓器繞線安排，
甚至 PCB 佈局。本文提供一種結合共模電感與差模電感的磁混
成，稱之為混成式共模電感器。不僅保留共模電感的高阻抗特
性，同時利用其很高漏電感當成差模電感用。不僅可以縮小體
(a)
積節省濾波器成本，更提供了工程師快速解決傳導型 EMI 問題
(b)
(c)
(d)
圖三、共模濾波器(a)環型(b)ET 型(c)UU 型(d)UT 型
的方法。
從共模電感的工作原理與等效電路來看，如圖四所示，雙繞組
一、 混成式共模電感的原理與功能
的共模電感雖然有很好的耦合，但是還是存在漏電感，漏電感
在常規單級 EMI 濾波器電路，如圖一，有共模雜訊濾波器 (LCM、
就是由漏磁通造成。這個漏電感在等效上串聯在電路上，功能
CY1 與 CY2) 與差模雜訊濾波器 (LDM、CX1 與 CX2) 分別形成”
上與差模電感無異。所以可以說，共模電感器的漏電感可以利
LC 濾波器”衰減共模與差模雜訊。共模電感通常以高導磁錳鋅
用來做為差模濾波器。然而如圖三所示的共模電感器，由於機
(Mn-Zn) 鐵氧體 (Ferrite) 製成，電感值可達 1~50mH。共模
械結構的關係，其漏電感都很小，約莫在數H 到 100H。如
電感器，如圖二，由於繞線極性安排，雖然兩組線圈分別流過
果要得到更大的漏電感，只有增加匝數一途，如此一來，線徑
負載電流，但鐵芯內部磁力線互相抵消，一般不存在鐵芯飽和
變細，電流耐受降低。要改善只有增加鐵芯大小，當然也增加
的問題。常用的鐵芯有環型 (Toroidal)、UU 型 (UU-9.8、
了濾波器的體積與成本。許多要求極高共模電感的應用，其實
UU-10.5 等)、ET 型與 UT 型，如圖三。為了要獲得足夠的共
不在濾除共模雜訊，而是要得到較大的漏電感當差模濾波器用，
模電感值，儘量讓兩組線圈的耦合達到最好，所以多採用施工
只是許多工程師不甚清楚罷了。
成本較高的環型或一體成型的 ET 與 UT 鐵芯。
CS
Ideal
1:1
½ LDM
L
A
½ LDM
C
CY1
LCM
CX1
CX2
CY2
½ LDM
RC
G
N
B
圖一、常規 EMI 濾波器結構
IDM
LCM
D
RS
CS
N
A
½ LDM
C
ICM
圖四、共模電感器的等效模型
為了增加共模電感的漏電感，特殊的鐵芯結構與繞線方法稱為
混成式共模電感器 (Integrated Common-mode Choke) 或者
ICM
B
D
IDM
N
圖二、共模電感器
稱混成共模電感器 (Hybrid Common-mode Choke)，如圖五所
示。這樣的結構，不僅可以保留共模電感量以充分濾除共模雜
訊外，其漏電感形成的差模電感可以高達數百H，配合適當的
X 電容，可以有效的濾除中低頻段 (150kHz~3MHz) 的差模雜
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Conducted EMI Reduction by means of Hybrid Common Choke
訊。實驗證明混成式共模電感器不僅具有很好的濾波特性，低
(2)
共模電感 (Common-mode Inductance, LCM) : 傳統上，
成本與小體積更是最大的優點。
習慣以外加測試電壓 (VOSC)與頻率來規範共模電感。依鐵芯材
料特色，共模電感以 VOSC = 1Vac @100kHz 量測較為穩定。
(3) 差模阻抗 (Differential-mode Impedance, ZDM) : 同樣的，
量測等效差模阻抗的方法如圖八所示，用差模阻抗特性圖 (如
圖九)來定義差模濾波的效能；相較於 LISN 的等效電阻 100，
差模阻抗也是越大越好。當然高頻時一樣會變成電容性，但只
圖五、立式與臥式混成式共模電感器
要阻抗夠大，一樣有濾波的效果。
二、 主要的電氣參數
混成式共模電感器保留了常規的共模電感器的規格外，還兼具
差模電感的特性。一般除了用共模與差模電感量標示外，還要
以以下參數來規範。
(1)
共模阻抗 (Common-mode Impedance, ZCM) : 相較於電
源 阻 抗 穩 定 網 路 (Line Impedance Stabilization Network,
LISN)的高頻等效電阻 (共模為 25)，濾波用的共模阻抗越大
I
越好。除了鐵芯材質外，繞線的方法(槽數)更影響高頻阻抗的
高低。圖六為共模阻抗的量測法，圖七為 ASU-1200 系列共模
V
圖八、差模阻抗量測
阻抗特性圖。由於繞線的層間雜散電容 (Stray Capacitance,
CS) 存在，高頻時將變為電容性；CS 越小越好。
1000000
ASU-1201
ASU-1202
ASU-1203
100000
ASU-1204
Impedance (Ω)
ASU-1205
ASU-1206
10000
1000
V
100
10000
100000
1000000
10000000
Frequency (Hz)
I
I
圖九、ASU-1200 系列差模阻抗特性圖
圖六、共模阻抗量測
(4)
1000000
差模電感 (Differential-mode Inductance, LDM) : 差模電
感一樣可以 VOSC = 1Vac @100kHz 來規範。在實用上，混成
ASU-1201
ASU-1202
式差模電感量必須 100H 以上，配合 X 電容，才能有效的濾
ASU-1203
100000
ASU-1204
Impedance (Ω)
ASU-1205
除差模雜訊。
ASU-1206
10000
(5)
差模飽和電流 (Isat) : 如前所述，因為等效差模電感必須
流過負載電流，在負載電流的峰值下，差模電感不能飽和，否
1000
則其濾雜訊的能力將降低。圖十為一般橋整濾波電路的輸入電
100
10000
100000
1000000
10000000
而下降。傳統上，以電感值衰減 20% (相對於沒有直流偏置) 為
Frequency (Hz)
圖七、ASU-1200 系列共模阻抗特性圖
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流波形。必須確保在最大電流峰值下，差模電感量沒有因飽和
其差模飽和電流。
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三、 應用電路
混成式共模電感器簡單說就是一個傳統共模電感與一個(或兩
AC
IN
V+
½ LDM
IDM
個)差模電感的混成。在應用上，EMI 工程師必須選定需要的共
模電感、差模電感以及相關的差模飽和電流與承受電流。
CIN
½ LDM
V-
(a)
ASU-1200 系列混成式共模電感適合應用在 25W 到 50W 的
Flyback 電路或 120W 以下 PFC 電路。圖十一為兩種應用混
成式共模電感器的 Flyback 電路。
HV
L
X-Cap
Hybrid Choke
Bulk
Cap
N
G
PG
(a)
Hybrid Choke
HV
L
½C
½C
N
(b)
G
PG
圖十、(a) 全橋濾波電路 (b) 輸入電流波形
(b)
圖十一、兩種應用混成式共模電感器的 Flyback 電路 (a) 常規位置搭
配 X 電容 (b) 置於橋整後與電解電容形成 PI 型濾波器
(6)
有效承受電流(Irms) : 等效上就是規範線徑粗細。雖然如
圖十的輸入電流波形，但其有效值並不高，一般可以兩倍的輸
圖十二為應用在邊界導通模式 (Boundary Conduction Mode)
出功率除以最低輸入電壓估計。例如全電壓範圍 25W 的電源
主動功因改善 (PFC) 電路的濾波器。
適配器，輸入電流的有效值約為 2*25W/90Vac = 0.55A。
Hybrid Choke
L
表一 為 ASU-1200 系列的電氣參數表
LCM(mH)
LDM(H)
C1
Isat(A)
Irms(A)
N
G
C2
±20%
±10%
ASU-1201
4.0
143
3.2
1.00
ASU-1202
6.0
220
2.9
0.80
圖十二、應用於 PFC 電路的混成共模電感器
ASU-1203
9.0
310
2.4
0.75
圖十三到圖十五為應用 ASU1203 混成式共模電感器在一個
ASU-1204
12.0
410
2.2
0.75
24W (12V/2A) 的離線 Flyback 電源中 EMI 的表現。明顯地可
ASU-1205
16.0
530
1.9
0.60
以看出這種共模電感不只有效的衰減共模雜訊，同時其差模電
ASU-1206
20.0
670
1.8
0.55
感也大量的衰減差模雜訊。整體而言，裝有 ASU1203 的 EMI
PG
表現，在中低頻段約略有 30dB 的衰減。
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圖十三、共模雜訊衰減 (藍色曲線為裝有 ASU1203 的共
模雜訊量測圖)
圖十四、差模雜訊衰減 (藍色曲線為裝有 ASU1203 的差
模雜訊量測圖)
圖十五、總雜訊衰減 (藍色曲線為裝有 ASU1203 的總雜
訊量測圖)
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