CN101202150B - 一种emc滤波电感 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种EMC滤波电感，包括由原绕组线绕制而成的原绕组，还包括由绝缘导线与所述原绕组线并绕而成的接地绕组。本发明的EMC滤波电感包括由绝缘导线与所述原绕组线并绕而成的接地绕组，通过这个接地绕组与原绕组间耦合产生寄生Y电容，同时通过这个接地绕组把原绕组匝间距离增大，通过控制绝缘导线的线径就可以有效控制绕组导线各匝间的有效匝间距，由于匝间距的增加就可以有效地减小寄生的并联电容Cp；另外由于接地绕组的引入使磁环的窗口利用率的提高，两绕组导线间的平均间距减小，同样可以增加两绕组间的寄生X电容。
Description
技术领域
本发明涉及一种EMC(Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性)滤波电感。
技术背景
在传导高频段和辐射频段，共模干扰常常是主要的干扰源，所以在电子产品中为了解决共模干扰问题，常需要用到共模滤波电路，共模滤波电路的核心就是共模滤波电感和Y电容。Y电容一般用在失效时存在电击危险的场合，因此对其电气和机械可靠性有特殊要求，同时对其容量又有一定限制以防止能量危险存在，当然其对安全的要求更高；根据其额定电压和所能承受的尖峰电压等级又可分为Y1、Y2、Y3和Y4四类。在本专利申请，我们所说的Y电容是指共模滤波电路输入各线与大地或机壳等相连的为滤除共模干扰而加的输入各线与大地间的跨接电容，或与此功能相类的电容。
共模滤波电感常用的有单相、三相和多相等类型，从绕线形式来分，可分为骨架型和磁环型两种，无论何种绕线形式，都存在着各种寄生参数，这些寄生参数对EMC有有利的也有不利的，如寄生的匝间耦合电容，寄生的X电容等。X电容一般指用在失效时不会存在电击危险的场合，当跨线使用电容(相当于差模电容)进行滤波时，因线间存在雷击、开关浪涌等，可能会导致电容冒烟或起火，故各国安全规定对此类电容有特殊安全要求，这类跨线用同时有一定的安全要求的电容，称之为X电容，根据其额定电压和所能承受的尖峰电压等级又可分为X1、X2、X3三类。在本专利申请，我们所说的X电容是指为滤除输入线与线间的差模干扰而加的线与线间的跨接电容，或与此功能相类的其它电容。但现有的无论何种形式电感都难以产生寄生Y电容，对于高频段干扰，特别是信号高频干扰，只能外加Y电容。在电容工艺水平和安全规定要求下，目前只能生产陶瓷的片状Y2电容，该陶瓷的片状Y2电容成本非常贵，是普通Y2电容的几十倍至上百倍，且目前尚未有大规模应用；另外由于加工工艺的复杂性尚无片状的Y1电容出现，故无法大批量用于实际EMC防护上，而用插件的Y电容常常因为整个板子都是贴片的器件而无法被接受，或者单板回流焊后而要进行补焊而额外增加不必要的成本。目前对于一些处于安全电压以下的信号电路或电源电路通常采用高压贴片金膜电容来代替Y电容，但由于损坏特性的不同，存在较大安全风险。另外对于高频段EMC干扰，共模电感由于匝间砂合产生的寄生并联电容对其与电感谐振频率以上频段的影响是相当负面的，有时甚至是一个产品的EMC的致命点，所以我们希望电感的寄生并联电容越小越好。但由于目前环形电感的特点和绕线工艺水平的限制，内环导线往往无法稀疏排开，寄生并联电容就难以减小。
综上所述，现有的滤波电感存在下述缺点：
1.无法产生寄生的Y电容，对共模滤波十分不利；虽然可以外加Y电容，Y电容由于安全规定及现在生产工艺问题体积较大，且Y电容目前尚无大批量生产的片状Y电容；对于高频几十兆到几百兆的干扰信号，采用插件Y电容同样存在寄生参数的不良影响；
2.寄生并联电容Cp较大，对电感的噪声抑制能力产生十分不利的影响；
3.寄生X电容容量太小，对差模滤波效果不利。
发明内容
本发明就是为了解决现有EMC滤波电感的上述问题，提出一种新的EMC滤波电感。
为此，本发明的EMC滤波电感包括由原绕组线绕制而成的原绕组，其特征是：还包括由绝缘导线与所述原绕组线并绕而成的接地绕组。
优选地，所述接地绕组一端与大地相连，另一端悬空。
与所述原绕组线并绕的绝缘导线有至少两根。
所述滤波电感是环形共模滤波电感或带骨架型共模滤波电感或工字形差模滤波电感或环型差模滤波电感。
所述绝缘导线与共模滤波电感的两个原绕组同时并绕。
所述绝缘导线与共模滤波电感的两个原绕组分别并绕。
所述带骨架型共模滤波电感的每相原绕组内的原绕组线相互错位，所述滤波电感的两相原绕组间的相邻原绕组线正对。
所述环形滤波电感的磁环内层为至少两层，所述磁环内层层间设有层间绝缘层。
所述绕组有一个或多个，分布在一层或多层中，所述绕组间和/或绕组层间和/或绕组外设有金属屏蔽地。
还包括绝缘线，所述绝缘线与所述原绕组线、绝缘导线并绕。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下
本发明的EMC滤波电感包括由绝缘导线与所述原绕组线并绕而成的接地绕组，通过这个接地绕组与原绕组间耦合产生寄生Y电容，同时通过这个接地绕组把原绕组匝间距离增大，通过控制绝缘导线的线径就可以有效控制绕组导线各匝间的有效匝间距，由于匝间距的增加就可以有效地减小寄生的并联电容Cp；另外由于接地绕组的引入使磁环的窗口利用率的提高，两绕组导线间的平均间距减小，同样可以增加两绕组间的寄生X电容。
本发明的EMC滤波电感与原绕组线并绕的绝缘导线有至少两根，这可以进一步减小电感原绕组的寄生并联电容Cp。
本发明的环形滤波电感的磁环内层为至少两层，所述磁环内层层间设有层间绝缘层，这可进一步减小寄生电感并联电容Cp。
对于带骨架型共模滤波电感的每相绕组内的原绕组线相互错位，两相绕组间的原绕组线正对可以减小每相绕组内的上下层间导线产生的电感并联寄生电容；增加绕组间的寄生X电容容量。
附图说明
图1是一个普通环形共模电感剖面图；
图2是图1所示的环形共模电感的各种寄生参数组成的电路模型示意图；
图3是单个电感阻抗与电感量、寄生参数的关系图；
图4是单绝缘导线并绕成一个接地绕组的环形共模电感剖面图；
图5是单绝缘导线并绕成两个接地绕组的环形共模电感剖面图；
图6是图4的等效电路图；
图7是图5的等效电路图；
图8是单绝缘导线并绕成一个接地绕组的带骨架型共模电感剖面图；
图9是双绝缘导线并绕成一个接地绕组的环形共模电感剖面图；
图10是双绝缘导线并绕成两个接地绕组的环形共模电感剖面图；
图11是双绝缘导线并绕成一个接地绕组的带骨架型共模电感剖面图；
图12是单绝缘导线并绕成一个接地绕组的环形差模电感剖面图；
图13是单绝缘导线并绕成一个接地绕组的工字形差模电感剖面图；
图14是是带有一定共模滤波能力的差模电感的等效电路图。
具体实施方式
为了便于下面的描述，下面先对现有的EMC滤波电感的工作原理进行说明并对其滤波效果进行分析。
如图1、2所示，一种普通环形EMC共模滤波电感的寄生参数中，地平面的寄生电阻Rs1、Rs2对抑制差模和共模干扰都是有益的，当然Rs1、Rs2对正常输入电源或信号也同样有衰减作用，会产生一定的损耗，综合应用上是希望Rs1、Rs2越小越好。寄生并联电容Cp1、Cp2对抑制共模和差模干扰都是十分不利的，它们对各种频率的干扰信号形成了传输通道，使电感L1对干扰信号的抑制作用大为减弱。另一方面，寄生的X电容Cs1与Cs2对抑制差模干扰有利，所以我们希望它们越大越好。
图3是单个电感阻抗与电感量、寄生参数的关系图。从图3可知，如果电感量不变的情况下，当寄生并联电容Cp容量越大，电感的谐振频率点就越小，阻抗最大点就下移，谐振频率点后的阻抗值随之下降，对干扰源的抑制能力随之下降。Rs越大，阻抗起点就越高，对干扰源的抑制能力就越强。下面我们对一个电感中影响寄生电容的各要素进行分析，我们以一个环形电感为例，假设电感的环形磁芯截面是圆形的，根据电容的原理我们就可以知道，寄生电容的容量主要与下面几个参数有关：环形磁芯圆柱体的直径、绕线线径、匝间距、介质材料特性等。其中介质材料特性与空气、导线漆皮或其它导线外的绝缘材料特性有关，一般是固定的，绕线线径与流过电感的电流有关，也应是固定的；环形磁芯圆柱体的直径在磁芯材料、电感量和绕线线径确定后也是确定的，所以我们可以改变的只有匝间距。在其它条件一定情况下，寄生电容的大小与环形磁芯圆柱体的直径的关系是：环形磁芯圆柱体的直径越大，寄生电容容量的也越大；在其它条件一定情况下，寄生电容的大小与绕线线径的关系是：绕线线径越大，寄生电容容量的也越大；在其它条件一定情况下，寄生电容的大小与匝间距的关系是：匝间距越小，寄生电容容量的越大。另外两个绕组间间距远大于匝间距，故寄生电容Cp也同样远大于Cs，这不是我们所希望的。另一方面，上面的寄生电容中也没有我们希望的寄生Y电容存在，这对共模滤波电感的共模滤波效果是不利的。
下面用几个具体实施方式介绍本发明在现有EMC滤波电感基础上的改进型EMC滤波电感，如图4、5所示，其主要改进点在于：在EMC滤波电感的原原绕组线1上并绕有绝缘导线2绕成的接地绕组。通过这个接地绕组与原绕组间耦合产生寄生Y电容，同时这个接地绕组使原绕组匝间距离增大，通过控制绝缘导线的线径就可以有效控制绕组导线各匝间的有效匝间距，由于匝间距的增加就可以有效地减小寄生的并联电容Cp；另外由于接地绕组的引入使磁环的窗口利用率的提高，对于共模EMC滤波电感而言使两绕组导线间的平均间距减小，可以增加两绕组间的寄生X电容。
上述接地绕组可用单根导线绕制而成，也可以用双根或更多根导线进行绕制，以进一步减小电感原绕组的寄生并联电容Cp。
对于共模EMC滤波电感，接地绕组的引入有两种方法，一种是用一个接地绕组同时与共模电感的两原绕组并绕，接地绕组的一端通过电感引脚接地，另一端可直接悬空或通过电感引脚后再悬空；另一种是用两个接地绕组分别与共模电感的两原绕组并绕，两接地绕组的一个同名端短接后通过电感引脚接地，另一同名端可直接悬空或通过电感引脚后再悬空；如果磁环内层一层无法绕下时，可以叠绕，两层间的原绕组线尽量相错开，以减小原绕组线间互相耦合而产生的寄生电感并联电容Cp的大小。为增加效果也可以在叠绕时在两层间加入一定厚度的层间绝缘层4，进一步减小寄生电感并联电容Cp。
如图6、7所示，我们对电感结构进行分析可知，新等效电路图中增加了我们所希望的寄生Y电容：Cya、Cyb、Cyc、Cyd；同时由于寄生Y电容的存在和电感两原绕组间平均距离的减小使我们希望增加的寄生X电容Csa、Csb增加了，同时由于绕组匝间距离大幅增加(增加距离大小与所加绝缘导线的绝缘厚度等有关)，寄生的电感并联电容大为减小。这样就达到了我们所希望的结果：增加了共模电感对共模噪声的抑制效果。
如图8所示，对于磁芯骨架型的电感，我们同样可以采用上面的两种方法进行绕制电感，每个电感原绕组1并绕绝缘导线2形成接地绕组，接地绕组的也有两种方法，一种是用一个接地绕组同时与共模电感的两原绕组并绕，接地绕组的一端通过电感引脚接地，另一端直接悬空；另一种是用两个接地绕组分别与共模电感的两原绕组并绕，两接地绕组的一个同名端短接后通过电感引脚接地，另一同名端可直接悬空。当一个电感原绕组需要绕制两层及以上时，相临上下层原绕组导线相互错开，以减小上下层间导线产生的电感并联寄生电容；电感两原绕组间相临上下间正对，以增加绕组间的寄生X电容。
下面我们对改进后电感进行详细分析：
首先对电感并联寄生电容Cpa、Cpb进行分析，未改进前绕组导线的相邻两匝匝间距一般为导线的漆皮厚度的两倍，例如一根0.4mm导线，漆皮最小厚度一般为0.015mm，导线中心距约为0.05mm左右，如果我们采用改进后方法，用一根同样线径的绝缘线作为隔离间距用，导线中心距约为0.5mm左右，导线中心距是原来的10倍左右，在同样的磁环或磁芯条件下，Cpa、Cpb寄生电容容量就是原来的1/5～1/10左右，可见改进后对电感寄生并联电容有了很大的改观。对于寄生的Y电容，导线与铜皮间的间距为一至两层绝缘胶带的厚度，一般情况下为0.05mm～0.1mm左右，产生的寄生Y电容与未改进前的电感并联寄生电容相当，如果采用同样线径的漆包线作地平面，则产生的寄生Y电容与未改进前的电感并联寄生电容的两倍以上。对于寄生X电容，由于两绕组导线间的平均间距变小，X电容相应会增加，另外由于寄生Y电容的存在，两绕组间的寄生Y电容串联后相当于另一类型的寄生X电容，这同样也相当于增加了X电容容量。对于地平面的寄生电阻Rsc、Rs的阻值为毫欧级的，经过寄生电阻的只有部分从寄生Y电容上流过的共模干扰电流，寄生电阻对EMC的影响可以忽略不计。综上所述，改进后电感各寄生参数均朝着有利EMC方向改变，这正是我们希望的。
具体实施方式一
如图9所示，一种环形共模滤波电感包括原绕组线1、由原绕组线1绕成的L相绕组和N相绕组、位于绕组层间的绕组层间绝缘层4、位于L相绕组和N相绕组间的绕组间绝缘层3和一个采用双绝缘导线与L相绕组和N相绕组并绕的接地绕组2。
具体实施方式二
如图10所示，一种环形共模滤波电感包括原绕组线1、由原绕组线1绕成的L相绕组和N相绕组、位于绕组层间的绕组层间绝缘层4、位于L相绕组和N相绕组间的绕组间绝缘层3和两个采用双绝缘导线分别与L相绕组和N相绕组并绕的接地绕组2。
具体实施方式三
如图11所示，一种带骨架型共模滤波电感，包括骨架6，由原绕组线1绕在骨架6上形成的L相绕组1a和N相绕组1b，位于L相绕组1a和N相绕组1b内的绕组层间绝缘层4，位于L相绕组1a和N相绕组1b间的绕组间绝缘层3，位于整个原绕组线包外的线包外层绝缘层5和两个采用双绝缘导线分别与L相绕组1a和N相绕组1b并绕的接地绕组2。
具体实施方式四
我们可以将上述用在共模电感里的方法转移到差模电感中去，产生一种带有一定共模滤波能力的差模电感。
如图12所示，一种环形差模滤波电感包括由原绕组线1绕制而成的原绕组、采用单绝缘导线与原绕组并绕的接地绕组2。
如图13所示，一种工字形差模滤波电感，包括工字型磁芯7、绕在工字型磁芯7上的原绕组线1，采用单绝缘导线与原绕组并绕的接地绕组2。
对于上述带有一定共模滤波能力的差模电感，其带有各种寄生参数的电感等效电路图如图14。
具体实施方式五
本具体实施方式与以上具体实施方式的不同之处在于：EMC滤波电感的原绕组有一个或多个，分布在一层或多层中，原绕组间和/或原绕组层间和/或原绕组外设有金属屏蔽地。通过地平面与绕组间耦合产生寄生Y电容，从而进一步增大寄生Y电容。
具体实施方式六
本具体实施方式与以上具体实施方式的不同之处在于：EMC滤波电感还包括与原绕组线、绝缘导线并绕的绝缘线。通过控制绝缘线的线径就可以有效控制绕组导线各匝间的有效匝间距，由于匝间距的增加就可以有效地减小寄生的并联电容Cp。
Claims (5)
1. 一种EMC滤波电感，包括由原绕组线绕制而成的原绕组，其特征是：
所述滤波电感是环形共模滤波电感或带骨架型共模滤波电感;
还包括由绝缘导线与所述原绕组线并绕而成的接地绕组；
所述接地绕组一端与大地相连，另一端悬空;
与所述原绕组线并绕的绝缘导线有至少两根;
所述绝缘导线与共模滤波电感的两个原绕组同时并绕或分别并绕。
2. 根据权利要求1所述的EMC滤波电感，其特征是：
所述带骨架型共模滤波电感的每相原绕组内的原绕组线相互错位，所述带骨架型共模滤波电感的两相原绕组间的相邻原绕组线正对。
3. 根据权利要求1所述的EMC滤波电感，其特征是：
所述环形共模滤波电感的磁环内层为至少两层，所述磁环内层层间设有层间绝缘层。
4. 根据权利要求1或2所述的EMC滤波电感，其特征是：
所述原绕组有多个，分布在一层或多层中，所述原绕组间和/或原绕组层间和/或原绕组外设有金属屏蔽地。
5. 根据权利要求1或2所述的EMC滤波电感，其特征是：
还包括与所述原绕组线、绝缘导线并绕的绝缘线。
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- 2006-12-13 CN CN2006101685459A patent/CN101202150B/zh active Active
Patent Citations (3)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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