碰到共模扼流圈的信号究竟会发生什么?

电器工程 共模 共模扼流圈
2022-01-30 16:47:22

我试图更好地理解共模扼流圈背后的原理。我画了几张图来澄清一下。

 
差模信号

差分电流(由差分电压驱动)在电感磁芯中产生相等但相反的磁场B :

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这些磁场相互抵消,因此核心中的净通量为零。因此,这些差分电流不会“感觉到”任何阻抗。

 
共模信号

相反,共模电流在磁芯中产生相等的附加磁场。这就是为什么它们“感觉到”高阻抗,并且无法通过(或通过意味着它们被高度衰减)。

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究竟会发生什么?我有几个理论,我将在下面描述。

 
共模信号 - 理论 1

我的第一个想法是共模信号撞击扼流圈并在内部产生磁通量。通过这样做,大量能量以热量的形式损失(滞后和可能的其他影响)。只有一小部分通过:

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什么样的共模扼流圈会以这种特殊方式运行?“燃烧”电压尖峰对我来说似乎是一个非常理想的效果。

 
共模信号 - 理论 2

也许电压尖峰并没有真正有机会在磁芯中建立大量磁通量,或者磁芯根本没有足够的“损耗”。电压尖峰从核心反弹并返回。只有一小部分通过:

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虽然扼流圈右侧的系统受到保护,但左侧的系统必须处理反射信号。可能会出现像驻波这样的讨厌的东西。

 
我的问题

我有几个问题要问你:

  1. 您认为理论 1 或理论 2 最合理吗?

  2. 您是否认为某些类型的共模扼流圈的行为往往如理论 1 中所述,而其他类型则如理论 2 中所述?

  3. 也许我的两个理论都是完全错误的。如果是这样,实际上会发生什么?

请赐教。

4个回答

添加到安迪的答案中,无需重复他所写的内容。

从您所写的内容来看,我认为您的问题更多是关于直观地理解扼流圈的工作原理。考虑一个电感器:

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这个电感只有一根线。流过的电流会产生磁通量,该磁通量会被线圈本身吸收并产生与电流变化相反的电压。我想你知道这件事。

现在,将电线纵向分开。您现在有相同的电感器,但有两根导线以相同的方向缠绕:

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共模电流以相同方向流过这些导线。因此,无论您是使用一根导线承载电流 I,还是两根导线均承载 I/2,都无关紧要。

(如果两条线都像安迪的第一张图片一样连接,那么结果与有一条线相同)。

我的第一个想法是共模信号撞击扼流圈并在内部产生磁通量。通过这样做,大量能量以热量的形式损失(滞后和可能的其他影响)。只有一小部分通过

所以,这不是它的工作方式。它只是一个不作用于差分信号,仅作用于共模信号的电感器。由于其电感,它增加了共模阻抗。

但是它是如何去除噪音的呢?

简单的。它是一个电感器,因此它会阻碍高频共模电流的流动,只需增加阻抗即可。

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这里,两个交流源“Vhc1”和“Vhc2”具有相同的值,因此它们将共模电压噪声添加到“LINE1”和“LINE2”。

该噪声电压将导致电流通过扼流圈,然后是右侧的设备,并且该电流将通过明确的接地(如果两个齿轮都接地)或通过它可以找到的任何方式(通过空气,或连接到其他设备的其他电缆)。

流经电缆的 HF 共模电流会将它们变成天线,这是个坏主意。

扼流圈增加了电路的阻抗,从而降低了电流。就那么简单。

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在上图中,左侧的扼流圈为线路增加了共模阻抗,而电容则将剩余的共模噪声短接到地。这基本上是一个分压器或 LC 低通滤波器,除了它处理两根电线而不是一根。

想想“分压器”。扼流圈增加了噪声源的阻抗,使电容具有更好的滤波效果。

绕线的方式会产生各种影响。为了获得最佳的共模滤波效果,请将电线扭在一起(或将整条电缆缠绕在磁芯上)。您展示的扼流圈在两根电线之间有一定距离,因此共模滤波效率会低一些。但是,两根导线之间的绝缘要好得多,而且这种绕组还在每根导线中增加了差模电感,这使得该组件起到了两个作用。

可以使用多于两根电线。事实上,您可以将整根电缆穿过铁氧体磁芯(在您的计算机上寻找带有其中一根的 USB 电缆):

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该图告诉您在共模下添加到电缆的阻抗。

此外,铁氧体扼流圈是有损耗的。这意味着该材料被设计成一个相当糟糕的变压器,在高频​​下效率很低。它具有高滞后性。这意味着它将高频磁场转化为热量。因此,在某个频率以上,电感器不再具有感应性,并且表现得更像一个电阻器。

如果你把扼流圈放在电缆上,它有损耗的事实是非常有用的,因为它会消除谐振,否则可能会使电缆变成有效的天线。

编辑

检查铁氧体磁珠的阻抗。这不是共模扼流圈,但有趣的特性在于铁氧体材料本身。如果是双线绕制,共模阻抗将具有相同的特性。

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来源

标有“X”的部分是电感阻抗。标有“R”的部分是电阻。这部分会像电感一样糟糕,它的 Q 值非常低,损耗很大,无法用它制作调谐 LC 谐振电路。但是,当您想将 HF 噪声转化为热量时,损失是很大的。

有许多不同的铁氧体材料,其中一些针对低损耗进行了优化并制造了高质量的电感器,而另一些则针对某些频率下的高损耗进行了优化。

如果它被指定为“EMI 抑制”或“铁氧体磁珠”或“扼流圈”而不是电感,您将获得有损耗的材料。然后您必须检查阻抗曲线以确保它们会过滤您想要的频率。

对于普通的共模扼流圈,差模阻抗基本上降低为线电阻,而共模阻抗主要是电感性的,而线电阻是一个很小的组成部分。

由于电感越高,共模信号衰减越高,目标是具有更高的电感。这导致旨在避免磁芯饱和和磁芯损耗的设计,因此,即使考虑到来自铁磁芯的非线性,普通的双绕组共轭扼流圈对共模信号呈现本质上的电感阻抗。

因此,扼流圈内消耗的功率很少,因此共模信号基本上从它的来源“反射回来”(您的理论#2)。

请参阅 ST 的相关文件:

特别是这些摘录(重点是我的):


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[...]

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明确地说:电感阻抗意味着对源的反射这一事实取决于能量守恒原理。由于基本上没有电阻组件可以解释共模信号能量的消散(转换为热量),因此该能量必须流向其他地方:它将(暂时)存储在扼流圈中建立的磁场中并从它来的地方反射回来。


然而,真正的 CM 扼流圈将具有更复杂的行为,主要是因为寄生电容,并在其阻抗幅度中显示出谐振峰值,如蓝色曲线所示(来自上面链接的同一文档):

在此处输入图像描述

对于正常的差分电流,两个绕组有效地“减去”它们的电感,因此电流几乎不受阻碍。

当电流为共模时,两个线圈的全电感都存在,因此电流受到更强的阻碍。

下面是一张应该有帮助的图片。显示的单个输入和输出演示了当您反转其中一个电流的方向时获得的不同阻抗。

第一种情况是我们试图阻止的共模电流:-

在此处输入图像描述

这是一个模拟,显示了扼流圈中的相反电磁通量如何产生高电流电阻或阻抗。

共模电流

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