击中共模扼流圈的信号究竟发生了什么?


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我试图更好地理解共模扼流圈的原理。我做了一些图纸来澄清。

 
差模信号

差分电流(由差分电压驱动)在电感器铁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,因此铁芯中的净通量为零。这样,这些差分电流不会“感觉”到任何阻抗。

 
共模信号

相反,共模电流在铁心中产生相等且相加的磁场。这就是为什么它们“感觉”到高阻抗,并且无法通过(或者通过意味着它们被高度衰减)。

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但是到底发生了什么?我有几种理论,下面将进行描述。

 
共模信号-理论1

我首先想到的是共模信号会击中扼流圈并在内部产生磁通量。通过这样做,大量的能量作为热量损失(磁滞和其他影响)。只有一小部分通过:

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哪种共模扼流圈会以这种特定方式运行?对我来说,“烧毁”电压峰值似乎是非常理想的效果。

 
共模信号-理论2

也许电压尖峰实际上并没有机会在磁芯中建立大量磁通量,或者磁芯根本不够“有损”。电压尖峰从磁芯反弹并返回。只有一小部分通过:

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尽管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。可能会出现驻波等令人讨厌的事情。

 
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趋向于按照理论1所述运行,而其他类型则类似于理论2?

  3. 也许我的两个理论都是错误的。如果是这样,实际上会发生什么?

请赐教。

Answers:


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除了Andy的答案外,无需重复他写的内容。

从您写的内容来看,我认为您的问题更多在于直观地了解扼流圈的工作原理。考虑一个电感:

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该电感只有一根导线。流过的电流产生一个磁通量,该磁通量被线圈本身吸收,并产生一个与电流变化相反的电压。我想你知道这一点。

现在,将导线纵向分开。现在,您具有相同的电感器,但两条导线的缠绕方向相同:

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共模电流以相同方向流过这些导线。因此,无论是一根导线承载电流I还是两根导线承载I / 2都没有关系。

(如果两根电线都像安迪的第一张照片一样连接,则结果与一根电线相同)。

我首先想到的是共模信号会击中扼流圈并在内部产生磁通量。通过这样做,大量的能量作为热量损失(磁滞和其他影响)。只有一小部分通过

因此,这不是它的工作方式。它只是一个电感器,不作用于差分信号,而作用于共模信号。由于其电感,它会增加共模阻抗。

但是如何消除噪音呢?

简单。它是一个电感器,因此只需增加阻抗即可阻止高频共模电流的流动。

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

该噪声电压将导致通过扼流圈的电流通过,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)返回,或者通过其可以发现的任何方式(通过接地的寄生电容)返回。空气或连接到其他设备的其他电缆)。

流经电缆的HF共模电流将其变成天线,这是一个坏主意。

扼流圈会增加电路的阻抗,从而降低电流。就那么简单。

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在上面的图片中,左侧的扼流圈为线路增加了共模阻抗,并且电容帽将其余的共模噪声接地。这基本上是一个分压器或LC低通滤波器,但它处理的是两根电线,而不是一根。

想想“分压器”。扼流圈会增加噪声源的阻抗,从而使电容帽具有更好的滤波效果。

电线的缠绕方式可能会产生各种影响。为了获得最佳的共模滤波效果,请将电线绞在一起(或将整个电缆绕在磁芯上)。您显示的扼流圈在两根导线之间有一定距离,因此共模滤波效率会降低一点。但是,两根导线之间的绝缘性要好得多,而且此绕组还会在每根导线中增加差模电感,从而使该器件起两个作用。

可以使用两根以上的电线。实际上,您可以将整个电缆穿过铁氧体磁芯(在计算机上寻找带有以下电缆之一的USB电缆):

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该图告诉您在共模下添加到电缆的阻抗。

而且,铁氧体扼流圈是有损耗的。这意味着该材料被设计为相当笨拙的变压器,在高频​​下效率较低。磁滞高。这意味着它将HF磁场转化为热量。因此,在一定频率以上,电感器不再是电感性的,其行为更像电阻器。

如果将扼流圈放在电缆上,则有损这一事实非常有用,因为它可以消除谐振,否则可能将电缆变成有效的天线。

编辑

检查铁氧体磁珠的阻抗。这不是一个共模扼流圈,但有趣的特性在于铁氧体材料本身。如果是双股缠绕,则共模阻抗将具有相同的特性。

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来源

标记为“ X”的部分是电感阻抗。标记为“ R”的部分是电阻。这部分将作为电感吸收,它的Q值非常低,损耗很大,无法用它来制造调谐的LC储能电路。但是,当您想将HF噪声转化为热量时,损失是巨大的。

有许多不同的铁氧体材料,其中一些经过优化以降低损耗并制成优质的电感器,而其他经过优化以在某些频率下实现高损耗。

如果将其指定为“ EMI抑制”或“铁氧体磁珠”或“扼流圈”而不是电感,则会得到有损耗的材料。然后,您必须检查阻抗曲线,以确保它们会过滤所需的频率。


非常感谢。您撰写了有关该主题的完整文章!我想谈谈你的最后几段。您说:“而且,铁氧体扼流圈是有损耗的。。。有损耗的事实非常有用,因为它可以消除共振。” 您能否深入探讨这个话题?如何区分有损与无损共模滤波器,什么样的图可以帮助我评估它们?
K.Mulier

看看上面的编辑
peufeu

非常感谢您的编辑。不幸的是,许多共模扼流圈数据表仅给出了显示总阻抗Z的图,而没有将其分成R和X分量。铁氧体磁芯中的损耗非常适合“燃烧”噪声。但是在共模扼流圈之前或之后放置并联电容器不是明智的选择吗?您将如何计算它们,以免出现讨厌的振铃和振荡效应?非常感谢您的所有帮助:-)
K.Mulier

在上面的电源滤波器示例中,有盖。但是,例如,如果您的设备是自供电的USB设备(如小型HDD机柜),则没有接地线可将盖子连接到。因此,降低共模噪声并防止电缆成为天线的唯一方法是,首先不要产生噪声,也不要用扼流圈来增加电缆共模阻抗。
peufeu

@DanielTork我不确定您要问的是什么...电感器的工作原理是:线圈中的电流会产生磁场,磁场会在同一线圈中产生磁通量,线圈内部会产生与电流变化相反的电压。共模扼流圈有2个线圈而不是1个。当电流在2个线圈中以相反的方向流动时,它们会产生相反极性的磁场,这些磁场会抵消,因此不会产生磁通量,也不会在线圈中感应出电压。
peufeu

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对于普通的共模扼流圈,差模阻抗实质上降低了导线的电阻,而共模阻抗则主要是电感性的,导线电阻只是很小的一部分。

由于电感越高,共模信号衰减越高,因此目标是具有更高的电感。这导致旨在避免铁心饱和和铁心损耗的设计,因此,即使考虑到铁磁铁心的非线性,普通的双绕组共扼流圈对共模信号也呈现出本质上的电感性阻抗。

因此,扼流圈内部的功率消耗很小,因此,共模信号实质上从其来源(您的理论2)“反射”回去。

请参阅ST的相关文档:

特别是这些摘录(重点是我的):


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[...]

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明确地说:电感性阻抗暗示着朝向光源的反射这一事实取决于能量守恒原理。由于本质上没有电阻成分可以解释耗散(转换为热量)的共模信号能量,因此该能量必须到达其他位置:它将(暂时)存储在扼流圈中累积的磁场中并从原点反射回来。


但是,实际的CM扼流圈将具有更复杂的行为,这主要是由于寄生电容引起的,并且在其阻抗大小上会显示一个共振峰,如蓝色曲线所示(来自上面链接的同一文档):

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有趣,非常感谢您:-)。我只是不明白下图。为什么蓝色曲线-共模阻抗-低于30MHz的频率只有3欧姆?实际上,对于这些频率,差模阻抗似乎高于共模阻抗。太奇怪了…
K.Mulier '17

@ K.Mulier如果您理解上面摘录中的方程式,这并不奇怪。从式(8),(9)可以看出,对于低频,即f 0,Z1diff = R1和Z2diff = R2。从等式6,7中我们看到Z1cm≅ R1和Z2cm≅ R2。当耦合系数k接近1时,可以更好地近似最后的近似等式,这仅仅是理论上的。如果L1和L2不匹配M,则Z1cm将大于Z1diff。Z2同样如此。顺便说一句,我们在这里谈论阻抗幅度。
洛伦佐·多纳蒂

9

对于正常的差分电流,两个绕组有效地“减去”了它们的电感,因此几乎没有阻碍电流。

当电流为共模时,两个线圈都充满了电感,因此,电流受到的阻碍更大。

下面是应该帮助的图片。显示的是单个输入和输出,演示了当您反向电流之一的方向时获得的不同阻抗。

第一种情况是针对我们将试图阻止的共模电流:-

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