共模扼流圈：從工作原理到挑選依據

ISO 制定電氣與電子系統的電磁相容性 (EMC) 規範，目的在避免電磁干擾造成訊號失真。電源轉換器在上市前，設計人員必須將電磁輻射控制在法規限制內。因此，採用共模扼流圈抑制開關電源的共模雜訊，是常見且有效的設計方式。本文將先說明共模與差模訊號在共模扼流圈中的運作原理，並清楚標示其訊號路徑。

電子產品通電後會因電磁感應產生電磁波，進而對周遭設備造成電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI），尤其在高功率電源快速切換能量時更為明顯，如圖 1 所示。電磁干擾可沿著導體或經由空氣傳播，進而影響敏感電路。例如，在住宅中多個設備共用同一電氣迴路時，啟動其中一台可能使另一台出現異常；又如車輛行經商辦大樓或電信基地台附近時，外部天線的無線電訊號也可能干擾車內接收器的正常運作。

 

為了提升電氣性能與系統可靠度，如何抑制切換式電源轉換器的電磁干擾一直是設計者面臨的挑戰。現今已有多種改善手段，例如降低 PCB 寄生效應、加入緩衝電路、縮短切換電流回流路徑等。然而，即使在 PCB 已充分最佳化後，多數系統的輸入端仍需配置輸入濾波器，其中最關鍵的元件之一便是共模扼流圈。

共模扼流圈本質上是一種濾波元件，可阻擋兩條以上訊號線或電源線上常見的高頻共模噪聲，同時讓所需頻率的訊號正常通過。它們廣泛應用於各類切換式電源中以抑制雜訊。然而，儘管使用普遍，許多工程師對其功能與運作方式仍不甚熟悉。以下將進一步說明共模扼流圈的種類與工作原理。

 

共模扼流圈的訊號方向

共模扼流圈，也稱共模電感，由單個鐵氧體磁芯上的兩個或以上的絕緣線圈組成。作法是將兩根銅線具有相同的繞組比並且對稱繞制在環形鐵氧體磁芯上。可以分成兩種模式：一種是電線中的電流沿相同方向流動，另一種是電流沿相反方向流動。這兩種模式分別就是為「共模模式」和「差模模式」。因此，共模扼流圈在差模模式和共模模式下的磁力線方向不同，從而對雜訊產生不同的阻抗效果，意味著兩者模式情況下的雜訊衰減量差異甚遠。以下以簡化電路說明。假設共模扼流圈與電源轉換器串聯：

(1)差模模式

當差模電流流經兩個線圈時，環形鐵芯中的磁場方向相反，根據法拉第右手定則，當電流流進共模扼流圈同時返回輸入源的電流也將通過扼流圈，此時兩端產生的磁通大小相等且方向相反，兩者即可互相抵消，幾乎沒有電感量，所以差模訊號幾乎無衰減的通過。對於差模阻抗計算，輸入電壓除上輸入差分電流即可得:

其中R_cl是繞阻的銅損

理想上共模扼流圈的磁通密度不會增加。代表著即使大差模電流流過，共模扼流圈也不會磁飽和。

 

 

(2)共模模式

當共模電流流經兩個線圈時，環形鐵芯中的磁場方向相同，根據法拉第右手定則，當共模電流流進共模扼流圈的線圈，此時兩端產生的磁通大小相等且方向相同，兩者不僅不會互相抵消甚至相互疊加，從而具有相當大的電感量，對共模雜訊訊號呈現大阻抗，以阻止共模電流流進電源轉換器。對於共模阻抗計算，輸入電壓除上輸入共模電流即可得:

 

建議使用者根據製造商提供的額定電流來設計線圈，否則容易受到磁化發生磁飽和。

 

 

如何選擇共模扼流圈?

 

根據使用者的應用在尋找共模扼流圈時，應在規格書中檢查一些基本項目：

• 繞阻電阻(Winding Resistance): 此是共模扼流圈模型內的電阻，可以提高濾波器的阻尼特性，特別在高頻下，共模扼流圈的電感將與系統輸入電容或走線寄生電容容易發生諧振，因此繞阻電阻的阻尼效果是有幫助的，但換來的缺點是，過高的繞阻電阻會增加輸入與輸出的電壓降，同時產生比較大的熱量。
• 共模衰減範圍(Common Mode Attenuation): 共模扼流圈會隨雜訊頻率變化而有不同的共模訊號衰減程度，使用者若知道雜訊頻率範圍，就可以推得共模扼流圈頻寬。
• 額定電流(Rated Current):

依據轉換器操作時的溫升來定義，然而溫升會依照擺放位置、繞線的截面積與通風與否來決定，這將限制可以使用扼流圈的繞線類型和擺放在系統中的位置。

• 共模阻抗與差模阻抗

使用者選擇共模扼流圈時，需要同時考慮共模阻抗和差模阻抗。確定該共模干擾的頻段，而在此頻段的共模阻抗越高，對共模雜訊的衰減就越大；反之，差模阻抗盡可能低，對差動訊號無抑制作用，代表不受影響地通過濾波器。因此，選擇在預設頻段下具有最高共模阻抗和最低差模阻抗的共模扼流圈。為了理解阻抗與頻率關係， 下圖顯示共模扼流圈的共模阻抗與差模阻抗。

 

 

由上圖能清楚的得知頻率小於200MHz時，共模組抗明顯地大於差模組抗，代表共模扼流圈適合在該頻段使用，一旦超過200MHz，差模阻抗迅速增加且兩者阻抗差異逐漸縮小，代表濾波器無法僅濾除共模干擾。

 

結論

現今所有電子產品重視訊號完整性，讓訊號進入系統潛能濾除所有雜訊，因此使用共模扼流圈能同時降低共模干擾也能允許差模訊號幾乎無衰減的通過。此外，共模扼流圈的重要挑選條件是小繞阻電阻、寬共模衰減範圍、大額定電流以及選定高共模阻抗和差模阻抗差異程度在所應用的頻段內。

 

 

頻譜電子創立於1987年，為專業的高階電源模組(交流轉直流電源轉換器, 直流轉直流電源轉換器)提供設計製造及技術服務，服務範圍遍及全球。我們致力於為客戶創造商機並且自詡為客戶的虛擬事業體。頻譜電子擁有35年以上的豐富經驗，從市場研究開始，我們在商業方案、產品研發、供應鏈管理以及全面技術服務等都可以提供高標準的服務。

頻譜電子是業界中唯一擁有ISO9001, IATF16949, ISO22163以及ESD20.20。我們專精於高端應用，像是工業、鐵道、電動載具以及醫療市場等。我們的技術能力涵蓋寬輸入範圍12:1、寬操作溫度自-40°C至110°C、超高絕緣標準可以達到reinforced以及2MOPP、高隔離耐壓達到20KVDC，甚至可以達到EMI Class A Built in等。除此之外，頻譜電子導入智慧製造以及國際化的生產基地，讓我們可以遊刃有餘的面對來自世界各地且變化極大的需求。