共模扼流圈：从工作原理到重要性能参数
May 05, 2024 by Dr. Steve Arar
了解这些简单的滤波器如何帮助您对抗共模噪声，同时将所需信号的劣化降至最低。
噪声分为共模或差模，具体取决于其传导方式。如果我们不能正确识别噪声模式，我们可能会在电路中添加不适当的噪声抑制元件，从而使噪声情况变得更糟。在本文中，我们将讨论共模噪声的解决方案：共模扼流圈 （CMC），它衰减共模信号，同时允许差分信号通过，理想情况下没有衰减。
上一篇文章介绍了高速差分数字接口（如USB、HDMI和以太网）中的共模噪声问题。CMC在这些和其他差分数据传输应用中非常有用。它们还用于滤除开关电源和 AC/DC 整流器中电源线的噪声。图 1 显示了 CMC 的两种不同应用。
CMC 如何工作？
共模扼流圈由缠绕在磁芯上的两个绕组组成。图2显示了用于电力线滤波应用的CMC。
绕组之间的方向在 CMC 的运行中起着关键作用。选择它们是为了使器件对共模信号具有高阻抗，同时传递差分信号时基本不受影响。
我们可以通过使用法拉第定律和右手法则来理解 CMC 的操作。考虑图3中的电流，该图显示了施加差分信号时的CMC。
对于差分信号，两个绕组产生的磁通量大小相等，但方向相反。由于磁通量相互抵消，滤波器对信号的影响可以忽略不计，使其能够以最小的衰减通过。由于这种磁通消除，差分信号无法使CMC的磁芯达到饱和。
图4显示了CMC如何响应共模信号。
对于共模信号，来自两个绕组的磁通量方向相同，从而产生较大的感性阻抗。通过提供高阻抗，该器件可有效抑制线路中的高频共模噪声。
计算差分阻抗和共模阻抗
为了量化上述定性描述，让我们计算CMC的差分阻抗和共模阻抗。图5由两个耦合电感器组成，代表了我们可以使用的最简单的电路模型。对于差分阻抗计算，我们施加差分信号并将输出接地。
在上面的模型中，R表示绕组的铜损。每个绕组的阻抗为：
其中假设绕组之间存在最大耦合（L1 = L2 = 这意味着理想情况下，滤波器对差分信号具有较小的电阻阻抗。正如我们将在本文后面讨论的那样，此阻抗应保持在尽可能低的水平。
图6模拟了同一电路中的共模激励。
在这种情况下，每个绕组的阻抗为：
其中 L⍵ ≫ R.因此，共模输入阻抗非常高，特别是在两个绕组之间存在强耦合的频率下。如果CMC使用磁芯，则在较低频率下，耦合（以及由此扩展的共模阻抗）会更高，因为磁芯在增强电感方面更有效。
如果我们使用两个非耦合电感器会怎样？
虽然我们可以使用非耦合电感器来抑制差分噪声和共模噪声，但与单独的电感器相比，CMC具有一些重要的优势。例如，由于差模激励期间的磁通抵消，CMC的磁芯在正常工作期间不会饱和。即使有相对较大的电流流过电路，也是如此。因此，在具有大电流的线路（例如AC/DC电源线）上使用CMC进行噪声抑制更加容易。
在高速数字接口中，CMC对差分信号不可见这一事实也是一个优势。图7显示了使用非耦合电感和耦合电感滤除差分信号噪声的区别。
在图7（a）中，使用了两个独立的电感器。滤波效果使边缘平滑并扭曲信号。上升时间的增加可能会损害信号完整性，并导致码间干扰。相比之下，图7（b）所示的理想CMC根本不会减慢边缘速度。
阻抗随频率的变化
在图5和图6中，我们使用两个耦合电感器对CMC进行建模。这种简化的电路模型忽略了绕组的寄生电容。通过考虑绕组内电容，我们得到了图8中更精细的模型。
绕组电容在CMC的频率响应中起着关键作用。在等效模型的核心有一个并联RLC电路意味着有一个谐振频率，在这个频率下，并联LC电路的行为就像一个开路。在此频率下，并联RLC电路的阻抗最大，等于R交流.
低于谐振频率时，电路表现为感应。然而，当我们移动到高于谐振频率的频率时，电路的行为就会变成电容。图 9 显示了 Pulse Electronics 的几种不同 CMC 的阻抗如何随频率变化。
如果制造商没有提供 CMC 的模型，我们可以使用实验室测量来估计图 8 中模型的参数。然后，该模型可用于仿真CMC对共模噪声的影响。
选择共模扼流圈
在选择共模扼流圈时，我们应该同时考虑其共模阻抗和差模阻抗。差分阻抗应尽可能低，以便所需信号可以不受影响地通过。然而，滤波器抑制噪声的能力直接取决于其共模阻抗，共模阻抗越高，噪声抑制效果越好。
我们还需要考虑共模阻抗如何随频率变化，以确保它在目标频率范围内处于可接受的高水平。请注意，较高的共模阻抗通常对应于较大的元件尺寸，这可能更难适应密集的PCB设计。
图10显示了村田制作所两个CMC的差分阻抗和共模阻抗。
在上图中，DLMNSN900HY2的共模阻抗在900 MHz左右大于2 kΩ。它在相同频率下的差分阻抗约为 200 Ω。DLM0NSN500HY2的共模阻抗在大约1,000 MHz时达到1 kΩ以上的峰值，而其差分阻抗仅为约100 Ω。
一些数据手册还绘制了不同频率范围内的差模插入损耗。上述村田器件的插入损耗曲线如图11所示。
两种不同的绕线方法：Bifilar和Sectional
CMC 可以使用Bifilar绕组或Sectional绕组。图 12 对两者都进行了说明。
由于Bifilar绕组元件具有较低的漏感，并且对差分信号的衰减较小，因此通常用于高速差分信号应用。Sectional绕组 CMC 在绕组之间具有更大的间距，使其更适合高压。然而，这种分离会导致更高的漏感和更高的差分阻抗。要了解有关这些绕组优缺点的更多信息，请查看伍尔特电子的这份有用的白皮书。