要保证滤波器的高频特性良好,除了选用高频特性好的电容以外,还要尽量减小电感上的分布电容,拓宽电感的有效频率范围。对于不能使用滤波电容或由于使用环境限制(接地线很长,具有很高的阻抗)使滤波电容不能发挥作用的场合更加重要。例如,医用设备需要满足很严格的漏电流要求,往往不允许使用电源线对地的滤波电容,这时滤波作用主要依靠电感。
电感上的分布电容来自两方面:一方面是线匝之间的电容,另一方面是绕组与磁芯之间的电容,见图 5-15。因此,减小电感的分布电容应从两方面入手,首先,如果磁芯是导体,应先减小绕组与磁芯之间的电容。减小绕组与磁芯之间的电容的方法是:在绕组与磁芯之间加一层介电常数较低的绝缘材料,以增加绕组与磁芯之间的距离。解决了绕组与磁芯之间的寄生电容问题后,可以通过下面的方法减小匝间电容。
(1)输入/输出拉开距离。无论制作什么形式的电感,电感线圈的输入和输出都应该远离,否则输入和输出之间的分布电容会在频率较高时将整个电感短路。
(2)尽可能地单层绕制。空间允许时,尽量采用尺寸较大的磁芯,这样可使线圈为单层,并且增加每匝之间的距离,有效地减小匝间电容。
(3)多层绕制的方法。线圈的匝数较多,必须多层绕制时,要向一个方向绕,边绕边重叠,不要绕完一层后,再往回绕。这种往返绕制的方法会产生很大的电容,使电感的高频特性变得很差。
(4)分段绕制。在一个磁芯上将线圈分段绕制,这样可以使每段的电容较小,并且总的分布电容是两段上的分布电容的串联,总容量比每段的分布容量小。
(5)对于要求较高的滤波器,应该将多个电感串联起来使用。可以将一个大电感分解成一个较大的电感和若干电感量不同的小电感,将这些电感串联起来,可以扩展电感的带宽。但这样设计会使电感总的体积较大并且生产成本也会增加。
对于采用磁芯的电感,还需注意磁芯的饱和问题。电感的磁芯与其他磁性材料一样,在外加磁场超过一定强度时,就会发生磁饱和,导致磁导率急剧降低。电感磁芯中的磁场是由绕在磁芯上的导线中流过的电流产生的,磁场强度与匝数和电流强度有关。当电感中流过的电流过大时,磁芯就会发生磁饱和,造成磁导率骤然降低,电感量减小,滤波器的截止频率发生变化。
电感量越大,电感的磁芯越容易发生磁饱和。由于电感量决定了滤波器的截止频率,因此,为了有效抑制低频干扰,必须采用较大的电感,这就导致了对电感量的要求与防止磁饱和之间的矛盾。
为了解决电感量与磁饱和的矛盾,可以按照图 5-27 所示的方法绕制线圈。具体方法如下:将传输负载电流的两根导线(例如,交流供电的零线和火线,直流供电的电源线和地线)按照图 5-27 所示的方向绕制,并且使两个绕组的匝数相同。这时,两根导线中的电流在磁芯中产生的磁力线方向相反,并且强度相同,刚好抵消,所以负载电流在磁芯中总的磁感应强度为0,因此磁芯不会发生磁饱和。
而对于两根导线上方向相同的共模干扰电流,则没有抵消的效果,呈现较大的电感。由于这种电感只对共模干扰电流有抑制作用,而对差模电流没有影响,因此称为共模扼流圈或共模电感。
图5-27 共模扼流圈的绕法
对于没有很高绝缘要求的信号线,可以采用双线并绕的方法构成共模扼流圈,但对于交流电源线,由于两根导线之间必须承受较高的电压,因此必须分开绕制。
差模电流在理想的共模扼流圈上产生的磁通完全抵消,磁芯永远不会磁饱和,并且对差模电流没有任何影响。但实际的共模扼流圈两组线圈产生的磁力线不可能完全集中在磁芯中,会有一定的漏磁,这部分漏磁不会被抵消掉,因此还是有一定的差模电感,电感量一般为共模电感的 3%~5%,这部分差模电感仍然会导致电感磁芯磁饱和。在设计共模扼流圈时,要注意这个现象,特别是用在交流条件下的共模扼流圈,要确保在交流电流的峰值条件下不会发生磁饱和。
这种寄生的差模电感并不是坏事,由于差模电感的存在,使得共模扼流圈对差模干扰也有一定的抑制作用。在设计滤波器时,可以将这种因素考虑进来,有时为了增加差模电感,人为地在两组线圈之间插入一片高磁导率的材料,如图 5-28 所示。共模线圈上的差模电感成分与线圈周围物体的磁导率,以及线圈的绕制方法有关。例如,两组线圈相距较远,会导致漏磁增加,从而增加差模电感,将共模扼流圈放进钢制小盒中,也会增加差模电感。
图5-28 故意增加共模扼流圈的差模电感成分
对于绕在环形磁芯上的电感,电感量的估算公式为
L=0.2N 2 u r S ln(D 1 /D 2 )(nH)
式中 L—线圈的电感量;
N—线圈的匝数;
u r —磁芯的相对磁导率(厂家手册给出);
S—磁芯的长度(mm);
D 1 、D 2 —分别是磁芯的外径和内径,计算中使用同样单位即可。
由于电感量与匝数的平方成正比,因此许多磁芯的供应商给出每匝线圈产生的电感量,这时可以很容易地计算出达到要求电感量所需要的匝数。
有些电感应用在低电压大电流的场合,这时要注意匝数过多会产生较大的电阻,从而产生过大的电压降,影响电路的正常工作。