利用混成式共模电感抑制传导电磁干扰

Application Note
System Engineer / 王信雄
AN008 – April 2014
利用混成式共模电感抑制传导电磁干扰
Conducted EMI Reduction by Means of Hybrid Common Choke
摘要
EMI 抑制方案有许多组合，包括滤波器组合、变压器绕线安排，
甚至 PCB 布局。本文提供一种结合共模电感与差模电感的磁混
成，称之为混成式共模电感器。不仅保留共模电感的高阻抗特
性，同时利用其很高漏电感当成差模电感用。不仅可以缩小体
(a)
积节省滤波器成本，更提供了工程师快速解决传导型 EMI 问题
(b)
(c)
(d)
图三、共模滤波器 (a)环型 (b)ET 型 (c)UU 型 (d)UT 型
的方法。
从共模电感的工作原理与等效电路来看，如图四所示，双绕组
一、 混成式共模电感的原理与功能
的共模电感虽然有很好的耦合，但是还是存在漏电感，漏电感
在常规单级 EMI 滤波器电路中，如图一，有共模噪声滤波器
就是由漏磁通造成。这个漏电感在等效上串联在电路上，功能
(LCM、CY1 与 CY2) 与差模噪声滤波器 (LDM、CX1 与 CX2) 分别
上与差模电感无异。所以可以说，共模电感器的漏电感可以利
形成”LC 滤波器”衰减共模与差模噪声。共模电感通常以高导
用来做为差模滤波器。然而如图三所示的共模电感器，由于机
磁锰锌 (Mn-Zn) 铁氧体 (Ferrite) 制成，
电感值可达 1~50mH。
械结构的关系，其漏电感都很小，约莫在数 H 到 100H。如
共模电感器，如图二，由于绕线极性安排，虽然两组线圈分别
果要得到更大的漏电感，只有增加匝数一途，如此一来，线径
流过负载电流，但铁芯内部磁力线互相抵消，一般不存在铁芯
变细，电流耐受降低。要改善只有增加铁芯尺寸，当然也增加
饱和的问题。常用的铁芯有环型 (Toroidal)、UU 型 (UU-9.8、
了滤波器的体积与成本。许多要求极高共模电感的应用，其实
UU-10.5 等)、ET 型与 UT 型，如图三。为了获得足够的共模
不在滤除共模噪声，而是要得到较大的漏电感当差模滤波器用，
电感值，要尽量让两组线圈的耦合达到最好，所以多采用施工
只是许多工程师不甚清楚罢了。
成本较高的环型或一体成型的 ET 与 UT 铁芯。
CS
Ideal
1:1
½ LDM
L
A
½ LDM
C
CY1
LCM
CX1
CX2
CY2
½ LDM
RC
G
N
B
图一、常规 EMI 滤波器结构
IDM
LCM
D
RS
CS
N
A
½ LDM
C
ICM
图四、共模电感器的等效模型
为了增加共模电感的漏电感，特殊的铁芯结构与绕线方法称为
混成式共模电感器 (Integrated Common-mode Choke) 或者
ICM
B
D
IDM
N
图二、共模电感器
称混成共模电感器 (Hybrid Common-mode Choke)，如图五所
示。这样的结构，不仅可以保留共模电感量以充分滤除共模噪
声，而且其漏电感形成的差模电感可以高达数百H，配合适当
的 X 电容，可以有效的滤除中低频段 (150kHz~3MHz) 的差模
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信号。实验证明混成式共模电感器不仅具有很好的滤波特性，
(2)
共模电感 (Common-mode Inductance, LCM) : 传统上，
低成本与小体积更是最大的优点。
习惯以外加测试电压 (VOSC) 与频率来规范共模电感。依铁芯
材料特色，共模电感以 VOSC = 1Vac @100kHz 量测较为稳定。
(3) 差模阻抗 (Differential-mode Impedance, ZDM) : 同样的，
量测等效差模阻抗的方法如图八所示，用差模阻抗特性图 (如
图九) 来定义差模滤波的效能；相较于 LISN 的等效电阻 100，
差模阻抗也是越大越好。当然高频时一样会变成电容性，但只
图五、立式与卧式混成式共模电感器
要阻抗够大，一样有滤波的效果。
二、 主要的电气参数
混成式共模电感器除保留了常规的共模电感器的规格外，还兼
具差模电感的特性。一般除了用共模与差模电感量标示外，还
要以以下参数来规范。
(1)
共模阻抗 (Common-mode Impedance, ZCM) : 相较于电
源 阻 抗 稳 定 网 络 (Line Impedance Stabilization Network,
LISN) 的高频等效电阻 (共模为 25)，滤波用的共模阻抗越大
I
越好。除了铁芯材质外，绕线的方法(槽数)更影响高频阻抗的
高低。图六为共模阻抗的量测法，图七为 ASU-1200 系列共模
V
图八、差模阻抗量测
阻抗特性图。由于绕线的层间杂散电容 (Stray Capacitance,
CS) 存在，高频时将变为电容性；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
图九、ASU-1200 系列差模阻抗特性图
图六、共模阻抗量测
(4)
1000000
差模电感 (Differential-mode Inductance, LDM) : 差模电
感一样可以 VOSC = 1Vac @100kHz 来规范。在实用上，混成
ASU-1201
ASU-1202
式差模电感量必须在 100H 以上，配合 X 电容，才能有效的
ASU-1203
100000
ASU-1204
Impedance (Ω)
ASU-1205
滤除差模噪声。
ASU-1206
10000
(5)
差模饱和电流 (Isat) : 如前所述，因为等效差模电感必须
流过负载电流，在负载电流的峰值下，差模电感不能饱和，否
1000
则其滤除噪声的能力将降低。图十为一般桥式整流滤波电路的
100
10000
100000
1000000
10000000
因饱和而下降。传统上，以电感值衰减 20% (相对于没有直流
Frequency (Hz)
图七、ASU-1200 系列共模阻抗特性图
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输入电流波形。必须确保在最大电流峰值下，差模电感量没有
偏置) 为其差模饱和电流。
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三、 应用电路
混成式共模电感器，简单说就是一个传统共模电感与一个(或两
AC
IN
V+
½ LDM
IDM
个)差模电感的混成。在应用上，EMI 工程师必须选定需要的共
模电感、差模电感以及相关的差模饱和电流与承受电流。
CIN
½ LDM
V-
(a)
ASU-1200 系列混成式共模电感适合应用在 25W 到 50W 的
Flyback 电路或 120W 以下 PFC 电路。图十一为两种应用混
成式共模电感器的 Flyback 电路。
HV
L
X-Cap
Hybrid Choke
Bulk
Cap
N
G
PG
(a)
Hybrid Choke
HV
L
½C
½C
N
(b)
G
PG
图十、(a) 全桥滤波电路 (b) 输入电流波形
(6)
(b)
有效承受电流 (Irms) : 等效上就是规范线径粗细。虽然如
图十一、两种应用混成式共模电感器的 Flyback 电路 (a) 常规位置搭
配 X 电容 (b) 置于桥整后与电解电容形成型滤波器
图十的输入电流波形，但其有效值并不高，一般可以两倍的输
图十二为应用在临界导通模式 (Boundary Conduction Mode)
出功率除以最低输入电压估计。例如全电压范围 25W 的电源
主动功因改善 (PFC) 电路的滤波器。
适配器，输入电流的有效值约为 2*25W / 90Vac = 0.55A。
Hybrid Choke
L
表一 为 ASU-1200 系列的电气参数表
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
图十二、应用于 PFC 电路的混成共模电感器
ASU-1203
9.0
310
2.4
0.75
图十三到图十五为应用 ASU-1203 混成式共模电感器在一个
ASU-1204
12.0
410
2.2
0.75
24W (12V/2A) 的离线式 Flyback 电源中 EMI 的表现。明显地
ASU-1205
16.0
530
1.9
0.60
可以看出这种共模电感不只有效的衰减共模噪声，同时其差模
ASU-1206
20.0
670
1.8
0.55
电感也大量的衰减差模噪声。整体而言，装有 ASU-1203 的
PG
EMI 表现，在中低频段约有 30dB 的衰减。
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图十三、共模噪声衰减 (蓝色曲线为装有 ASU-1203 的共
模噪声量测图)
图十四、差模噪声衰减 (蓝色曲线为装有 ASU-1203 的差
模噪声量测图)
图十五、总噪声衰减 (蓝色曲线为装有 ASU-1203 的总噪
声量测图)
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