选择共模电感（电感器）

在介绍共模电感之前，我们先讨论一下电感的一般概念。电感是一种低阻抗线圈，旨在衰减电路中的高频电流。为了增强其电感，电感通常采用软磁材料制成的磁芯。共模电感由多个相同的线圈组成，电流在其中以相反的方向流动，从而导致电感磁芯内的磁场相互抵消。共模电感常用于抑制辐射干扰，因为这种干扰电流在不同的线圈中以相反的方向流动，从而提高系统的电磁兼容性（EMC）。对于这种电流，共模电感的电感值非常高。共模电感的电路图如图1所示。

共模信号和差模信号是相对术语。共模信号，也称为共模噪声或接地噪声，是指每个导体相对于接地的噪声。在开关电源的输入滤波器的上下文中，这指的是中性线和火线相对于大地接地的电信号。尽管中性线和火线都没有直接连接到大地接地，但它们可以通过电路板上的寄生电容或寄生电感连接。另一方面，差模信号表示两个导体之间信号的差异，也可以称为线路差分。

给定两个信号，V1 和 V2：

共模信号的特征：幅度相等且相位相同的信号。

差模信号的特征：幅度相等但相位相反的信号。

对于开关电源，如果整流桥后的大容量储能和滤波电容器是理想的（即，具有零等效串联电阻，忽略电容器的所有寄生参数），所有进入电源的可能差模噪声源将完全被这个电容器旁路或解耦。然而，大容量电容器的等效串联电阻并不是零。因此，从差模噪声源看，输入电容器的等效串联电阻构成了阻抗 Zdm 的主要组成部分。除了承载从电源线流动的工作电流外，输入电容器还必须提供开关晶体管所需的高频脉冲电流。无论如何，流经电阻的电流不可避免地产生电压降，例如在电容器的等效串联电阻上。因此，高频电压波动出现在输入滤波电容器上，源自差模电流。这种波动本质上是一个电压源（由等效串联电阻引起）。理论上，当整流桥导通时，这种高频波动噪声应该只出现在整流桥的输入侧。实际上，当整流桥关闭时，噪声通过整流桥二极管的寄生电容泄漏。

有多种偶然路径使高频电流流入机箱。当开关电源中的主开关晶体管的漏极经历高到低的转换时，电流通过开关晶体管与散热器之间的寄生电容流动（散热器连接到机箱或本身就是机箱）。当交流电源电流保持整流桥导通时，注入机箱的噪声遇到几乎相等的阻抗，导致相等的电流流入中性线和火线。这是纯共模噪声。

已知共模信号具有相等的幅度和相同的相位，通常源自电网。这些信号可能会干扰电路板的正常操作，并作为电磁波辐射，干扰周围环境。

由于电感器用于抑制共模信号，这必然与磁场有关。我们首先介绍由电磁线圈产生的磁场方向（对于项目应用，在某些场景下，例如抑制共模信号，可能不需要对电感器产生的磁场和磁通进行定量计算。对于感兴趣的人，推荐的参考书是赵秀克教授的《开关电源中的磁性元件》）。确定电磁线圈产生的磁场方向的方法是用右手握住电磁线圈，手指指向电流的方向，拇指将指向磁场的方向。接下来，引入一个重要术语：磁通。垂直穿过某一截面的磁场线总量称为该截面的磁通，简称磁通。磁场线由电磁线圈产生，实际上是存在的，尽管它们是不可见和无形的。磁场线形成一个闭合回路，对于电磁线圈，它们都穿过电磁线圈的内部。磁场线与磁感应强度B成正比。图3显示了电磁线圈产生的磁场线示意图。

磁通量用 F 表示，是一个标量，单位为韦伯 (Wb)。磁通量、磁感应强度 B 和横截面积 A 之间的关系为：

F = BA

从这个关系可以看出，穿过横截面的磁场线越多，磁通量就越大。对于绕在磁芯上的线圈，当电流 i 通过时，线圈的电感 L 可以表示为：

L = NF / i

其中 N 是线圈的圈数。

从上述概述中可以理解，对于绕在磁芯上的线圈，若其匝数和电流保持不变，则通过磁芯的磁场线越多，磁通量就越大，因此感应电感也越大。电感器的固有功能是抵抗流过它的电流变化，这本质上是抵抗其磁通量的变化。这是使用共模扼流圈抑制共模电流的基本原理。

共模电流在共模扼流圈中产生的磁感应强度分别为电流 I1 的 B1 和电流 I2 的 B2。图 3 中的两个黄色箭头分别表示由电流 I1 和 I2 在铁氧体核心中产生的磁场线。可以看出，由 I1 和 I2 产生的磁场线相加，磁通量也相加，因此，电感也相加。电感越大，电流的抑制越强。

用一句话解释共模电流被共模扼流圈抑制的原理如下：当共模电流通过共模扼流圈时，磁环中的磁通量相加，导致显著的电感，从而抑制共模电流。

当差模电流流过两个线圈时，铁氧体磁环中的磁场线方向相反，导致磁通量相互抵消，从而几乎没有电感。因此，差模信号可以以最小的衰减通过（考虑到电感器的固有电阻）。因此，不仅在开关电源的输入滤波器中，而且在布线差模信号线时，可以添加共模扼流圈以抑制共模电流，防止电路出现误触发等现象。

根据共模扼流圈额定电流、直流电阻和额定频率下的阻抗要求，设计可以按以下步骤进行：

计算共模电感最小值的公式为：

其中 Xl 是频率 f 下的阻抗值。

电感值由负载（以欧姆为单位）除以信号开始衰减的角频率或更高频率来确定。例如，在50Ω负载下，如果信号在4000 Hz或更高频率开始衰减，则需要1.99 mH的电感（50 / (2π × 4000)）。共模滤波器的相应结构如下：

在选择要过滤的频段时，公共模式阻抗越高越好。因此，在选择共模电感时，需要参考设备的数据手册，主要基于阻抗-频率曲线。

在计算电感后，后续设计步骤与设计常规电感器的步骤类似，这里不再详细说明。

在绕制自己的电感器时，请注意以下事项：

在选择共模扼流圈的磁芯时，应考虑形状、尺寸、适用频率范围、温升和价格等因素。常见的磁芯形状包括U型、E型和环形。

相对而言，环形磁芯更便宜，因为只需要一个进行制造。其他形状的磁芯必须成对使用于共模扼流圈，并且在成型过程中，必须考虑两个磁芯的配对，这需要额外的磨削工艺以实现更高的磁导率。这对于环形磁芯来说并不是必要的。与其他形状相比，环形磁芯具有更高的有效磁导率，因为无论它们如何组装，成对的磁芯之间总会存在气隙现象，导致其有效磁导率低于单个闭合形状的磁芯。然而，环形磁芯的绕制成本更高，因为其他形状的磁芯有匹配的线圈可以用于机器绕制，而环形磁芯只能手动或以较低速度的机器绕制。此外，环形磁芯的小孔径使得机器难以穿线，需手动绕制，这既耗时又费力，导致加工成本高且效率低。安装也不方便，如果增加底座，成本将增加。考虑到整体性能，环形磁芯性能更好，但价格也更高。由于成本因素，环形磁芯主要用于高功率电源。当然，由于其体积小，它们也可以用于对尺寸有要求的低功率电源。对于主要功能是滤除低频噪声的共模扼流圈，应选择高磁导率的锰锌铁氧体磁芯。相反，对于高频应用，应选择镍锌铁氧体磁芯或粉末磁芯。适合高频的磁芯通常具有分布式气隙，导致相对较低的磁导率；二者不可兼得。然而，与常规电感器不同，共模扼流圈的功能是为噪声信号创造大的插入损耗，以减少噪声干扰。尽管锰锌铁氧体在高频下的有效磁导率非常小，但核心损耗随频率增加，从而对高频噪声提供显著的阻抗，进而削弱高频干扰，尽管性能相对较差。然而，较大的核心损耗会导致核心发热，而损耗较小的磁芯也更昂贵。