电源设计小贴士之解决传导性共模辐射问题( 2)

在本篇电源设计小贴士中，我们将继续讨论共模电流问题。如前所述我们可以使用一个机架电容将共模电流返回至电源，该电容还可以降低噪声的源阻抗。然而就我们可以使用的电容大小而言是有一个安全极限的，其决定了共模滤波器的剩余量。共模电流是由Q1漏极上的大AC开关电压产生的（请参见图1），其使得电流流经杂散电容进入机架接地。机架电容C1为其提供了一个在电源中返回而不会流经AC输入源接地连接的路径。共模电感L1通过在电源机架和AC输入源之间的路径中添加阻抗来限制共模辐射。1 MHz时，4700 pF机架电容的最大容许感抗为30 Ohms。为了让所有开关产生的电流都进入到机架电容C1，这一电感需要在高频率范围内具有高阻抗（数千欧姆）。

图1：高阻抗共模电感 (L1) 降低了辐射

更进一步观察T2，电感位于热线和中线组合路径，差动电感不再用于降低共模电流。许多设计人员都使用L1漏电感进行差动滤波。由于有了电感连接（如图1所示），在电感中就没有了净DC电流，这就是说可以使用一个高磁导率无隙磁芯。图2显示了典型共模电感磁芯材料与频率之间关系的相关磁导率。就磁导率而言有真实部分 (real part) 也有复极部分 (complex part)。当复极部分与材料损耗相关时真实部分就与电感相关。由于该图表述为串联组件，因此总体阻抗为二者的矢量和。这是极具价值的，因为即使电感的真实部分在 300 kHz频率时作用开始衰减并且在高于1-2 MHz时无法使用，阻抗取决于1 MHz以上时材料的损耗情况并继续实现10 MHz的高效率。

图2：寻找一种具有高磁导率裕量的磁芯材料

一旦您选定了磁芯材料，接下来的最大挑战就是如何充分利用磁芯材料的高磁导性（请参见图3），该图显示了28 mH阻抗共模与频率的关系。在低频率时，该器就像是一个电感器，但是在高频率时其更像是一个分布电容，该电容与电感共振。由于该大电感，23 pF分布式电容就会影响电感在200 kHz以上时的性能。设计一款高性能共模电感的关键就是选择扇形绕组、单个绕组并精心选择磁芯最小化绕组的数量来最小化电容。有时这些共振是不可避免的并且在较高频率时需要额外的滤波。在这些情况下，我们可以再添加一个电感来对较高频率进行滤波。

图3：分布电容降低了共模电感阻抗

总之，出于对噪声的高源阻抗以及安全性考虑，AC电源的共模滤波包含了若干高阻抗组件以将电容限制在机架以内。由于中间绕组电容的存在，就高频率下的高阻抗而言，要想实现上述功能，共模电感面临着很大的挑战。在选择磁芯材料时需十分谨慎，材料磁导性裕量必须一直保持在高水平。此外，必须要对分布式绕组电容进行适当控制。一个仅为30 pF 的分布式电容就可损坏电感的阻抗。在大多数情况下，设计人员会使用串联的两个电感（每个电感在特定的频带内均能提供滤波功能）来解决这一问题。

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作者：Robert Kollman，

德州仪器 (TI)