阻容感基础10：电感器分类（3）-共模电感和磁环
说在开头：关于暗能量
自从20世纪70年代以来，许多天文学家用许多方法来测量哈勃常数（银河系外星系的视向速度与距离的比例），测得的数值都很不一样，其测定值的分歧在于不同的方法给出的距离不一致，即银河系内距离指标的标定不确定；另外不同星系之间由于化学成分、年龄、演化经历的不同，距离指标和绝对星等之间的关系就不会一致。
在望远镜里遥远的星系看起来太小了，即便是整个星系团也只能看得见一个小亮斑，无法分辨里面的造父变星（高光度周期性脉动变星，其亮度随时间呈周期性变化），因此这种“标准烛光”就不再好用了，必须寻找到一种新的“大灯泡”：比一个星系的光还要亮，就算在宇宙边缘也能看的非常真切；这把量天尺就是1a型超新星，最终NASA确定了哈勃常数，参考的就是1a型超新星。
有了这把可靠的量天尺，科学家们就开始了一项观测计划：搜寻大红移超新星，看看宇宙深处有没有超新星爆炸。因为光穿越宇宙也要花时间，越是遥远的天体就越古老，我们现在看到的就是这些天体小时候的样子，那么我们就可以分析出宇宙早期的天体演化情况。一顿操作下来，科学家们发现了几十个1a型超新星，他们的红移量也都很大，说明退行的速度很快。科学家们分析了数据，结果傻眼了：宇宙正在加速膨胀。
前面我们说过如果宇宙物质够多，那么宇宙的曲率很大，会造成宇宙封闭（球面，黎曼几何），最终宇宙会收缩回1个点；要是宇宙里的物质稀少，那么宇宙就是平直（欧式几何）或马鞍形（罗氏几何），这两种宇宙是开放的，虽然膨胀会减慢，但永远不会减到0；但起码是个减速的过程。那现在观测到的加速是怎么回事？到底是哪个王八蛋给宇宙提供了能量，导致了宇宙加速膨胀？
一定是有种东西在支撑着宇宙的加速膨胀，我们之前一直不知道它的存在，类似于暗物质；但是这种东西与暗物质的作用力相反，它存在一股相斥的力而非引力。“暗能量”由于相互之间是相斥的，所以它们不会聚集在一起，而是均匀分布在整个宇宙空间，那么就接近于常数的样子。大家立刻想起来爱因斯坦的宇宙常数，好像还跟暗能量挺符合的。
但又有一个问题是：我们发现暗能量的密度并不会随着宇宙空间的膨胀而减小。正因为如此， 70亿年前宇宙物质的引力大于暗能量的排斥力，宇宙膨胀速度是在减弱的，物质能抱团形成恒星系、星系团；但在70亿年后暗能量的排斥力大于引力，宇宙开始加速膨胀。暗能量随着宇宙空间的膨胀而增加，那岂不是不满足热力学第一定律——能量守恒定律？
我们前面有讨论了随着空间的膨胀，光会出现红移的现象，当年哈勃以为是恒星的加速运动导致的（类似声波），后来才确定是由于宇宙空间本身的膨胀导致光波变长。我们知道光子的能量同频率成正比，频率越高光粒子的能量越高，宇宙大爆炸时光子的频率很高，达到了可见光范围（400~700纳米），那时的宇宙光芒万丈，没有白天和黑夜之分，而到了现在宇宙背景辐射波长是7.35厘米，宇宙背景温度只有2.73K。那这些消失的光子能量到哪里去了呢？所以有人一看，这不是对上了么？光子给宇宙空间做功转化成了暗能量。
这就是21世纪物理学的两朵乌云：暗物质与暗能量。暗能量占宇宙总量的73%，暗物质约占23%、普通物质仅约占4%，而人类在宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%。
人类现在还能观测到宇宙的97%星系的空间膨胀速度已经大于光速（大于光速，不满足狭义相对论？非也），就是说现在宇宙97%的星系发出来的光已经永远不可能达到地球了，与地球彻底断了因果关系，我们现在看到的是它们几十亿年前发出来的光。而且不断有星系与地球的远离速度超过光速，到几十亿年后，智慧生命只能看到本星系团的恒星，到时他们就会认为宇宙就是本星系团大小，再也没办法看到宇宙的全部面貌，另外由于空间膨胀导致的光波红移，可能需要架起地球大小的探测器才能检测到宇宙背景辐射；那时的他们将无从探索宇宙的起源和本质。所以我们生活在宇宙的这个时期，能看到宇宙全貌并推测出宇宙大爆炸的模型，是何等的幸运。（参考自:吴京平-柔软的宇宙）
六，共模电感器（共模扼流圈）
共模电感器(Common mode Choke)：以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，它由两个尺寸相同，匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上，形成一个四端器件，要对于共模信号呈现出大电感具有抑制作用，而对于差模信号呈现出很小的漏电感几乎不起作用。
工作原理：流过共模电流时磁环中的磁通相互叠加，从而具有相当大的电感量，对共模电流起到抑制作用，而当两线圈流过差模电流时，磁环中的磁通相互抵消，几乎没有电感量，所以差模电流可以无衰减地通过。
那共模抑制的具体原理是什么呢？
1. 所谓共模信号是两个幅度相等、相位相同的信号；如下图所示，对于差模信号（I1和I2电流大小相等，方向相同），那么I1和I2产生的磁力线的方向相同，且当I1 = I2且电流反向相同时，穿过磁芯的磁力线为两倍，对于共模电感器来说，其电感量就为L+M
——共模信号一般来自电网，共模信号会影响电路板的正常工作，也会以传导干扰（CE）的形式干扰周围环境。
2. 如下图所示，磁力线方向可以根据万能的右手螺旋法则获得，当共模线圈中流过相同方向电流时，I1和I2所产生的磁力线方向相同（如下右图所示），穿过磁芯的磁力线就会被叠加，对于共模电感其来说其电感量也越大；
——Φ = B*S，共模电流产生的磁通量方向相同，所以磁通量变大，L = NΦ/I，对于线圈1来说I1电流对应I1+I2= 2*I1的磁通量，所以电感量加倍了。
3. 所谓差模信号是两个幅度相等、相位相反的信号；如下图所示，对于差模信号（I1和I2电流大小相等，方向相反），那么I1和I2产生的磁力线的方向相反，且当I1 = I2且电流反向相反时，穿过磁芯的磁力线为0（两个线圈完全对称），对于共模电感器来说，其电感量就为0。
——这正是电源输入接口使用共模电感器的原因，电源电流输入和GND电流输出，它们大小相等、方向相反，所以共模电感器对电源正常工作的电流没有任何作用。另外，关于差模和共模的概念，后续《信号完整性》具体分析。
4. 共模电感器的模型如下图所示，如果共模信号的频率太高，那么输入和输出线之间的寄生电容将对磁芯产生旁路的作用，从而降低共模电感的有效性。
——共模电感的应用是有频率限制范围的，只能抑制某频段内的共模噪声。
设计共模电感器时，我们需要考虑符合如下原则：
1. 电路正常工作状态下的额定电流，不会达到共模电感器的磁饱和状态；
——一旦达到磁饱和状态，共模电感就失去了对噪声的抑制能力。
2. 高频阻抗足够大（自谐振点要高），且有一定的频宽，且对工作频率信号电流阻抗较小；
——如果应用于输入电源的共模噪声滤波，其最高频率为30MHz以下（CE）。
3. 温度系数要小；
4. 直流阻抗（Rdc）要尽量小；
——虽然要对共模信号抑制，但对差模信号的损耗要越小越好，例如对于输入电源共模电感器应用，电源和GND线是差模信号，共模电感器的RDC越大，那么损耗越大。
5. 电感值稳定，感应电感量尽量大；
6. 绕阻之间绝缘性能满足安规要求；
——共模电感一般用于对外接口（电源接口、信号接口等），会接触到高压冲击信号，所以其绝缘性能必须满足安规要求，避免共模电感器损坏。
7. 线圈尽可能单层绕制，减小线圈寄生电容，增强线圈对瞬时过压承受能力。
——线圈间寄生电容越大，共模电感器越容易通过电容被击穿，大能量浪涌电压穿透共模电感器传递到电路内部，从而起不到共模防护的作用。
七，磁环
磁环是一个环状的导磁体，是电子电路中常用的抗干扰元件，对于高频噪声有很好的抑制作用。一般使用铁氧体材料制成，是损耗式滤波器，主要用于抑制线缆上的传导干扰；其工作原理是：在不同的频率下有不同的阻抗特性：在低频时阻抗很小，当信号频率升高磁环表现的损耗急剧升高。
——从对磁环的描述来看，其工作原理与磁珠非常类似：都是利用磁芯涡流损耗，来损耗线路中的高频信号噪声。
如下图所示，磁环与其它电感器件有非常明显的不同——它与电路之间没有电气连接，只是一个单纯的磁芯。所以我们也能猜出，磁环并不是用在单板电路中，而是用于设备线缆上：将电源线、信号线（网线/电话线/DVI线等等）绕在磁环上，避免EMI干扰。
——我们经常能看到计算机、通信设备（栗子，无线路由器）或则家用电器（液晶电视、机顶盒等）的电源线及其它线缆上串着一个“鼓包”，这其实就是电线内置的磁环。
磁环的磁芯材料有很多种：镍锌铁氧体磁环，锰锌铁氧体磁环，铁粉芯磁环，铁硅铝磁环，高磁通磁粉芯磁环，铁镍钼磁粉芯磁环，非晶磁环等。
- 磁环的特性和应用
磁环的特性与磁珠类似，锰锌磁环特性曲线如下图所示：1MHz时磁导率下降到1000，1.05MHz时电感消失，同时损耗因子在1MHz时急剧上升，电阻特性（涡流损耗）逐渐明显；阻抗频率曲线在电感消失的频点出现最大值。
1. 低频段阻抗主要由电感的感抗构成：电阻很小，电磁干扰主要通过反射抑制，器件呈现低损耗高Q特性电感；此时容易造成在低频段谐振，可能出现干扰增强现象；
——电感L与寄生电容C，在高Q情况下容易造成LC振荡，具体“开关电源”章节分析。
2. 高频段阻抗主要由电阻构成：随着频率升高，磁芯磁导率降低，导致电感量减小，感抗成分减小，而电阻成分增加（涡轮损耗）；电磁干扰被吸收并转化成热能的形式耗散掉；
3. 磁环安装在靠近干扰源的地方，对于输入输出电路，尽量靠近屏蔽壳进出口处。
的确，磁环与磁珠的整体特性非常接近，但是它们之间的应用场景又完全不同，那我们应该在什么情况下选择怎样的磁环呢？
1. 首先需要考虑两个方面因素：
1, 磁环的频率-阻抗特性和被滤波电路的干扰特性；
——如果被滤波电路的EMI频段与磁环涡流损耗频段不同，那么磁环起不到应有的作用。
2, 外观上选择：尽量长，尽量厚，内径尽量小，电感量尽量小的磁环，及磁环越长越好，孔径与所穿电缆结合越紧密越好；
——磁环尽量长、尽量厚、内径尽量小（线缆结合紧密）：线缆的磁力线尽量多的穿过磁环，高频噪声能量尽可能多的消耗在磁环内；电感量尽量小：避免对正常信号的影响，以及低频振荡。
2. 绕线匝数越多，抑制低频干扰效果越好，而高频噪声抑制较弱；当干扰频带较宽时，可以套上两个磁环，绕不同匝数，用于抑制不同频段噪声；
——磁环存在寄生电容，该寄生电容与电感并联，遇到高频干扰信号时，寄生电容将磁环的电感短路失去作用；所以一般低频干扰，绕2~3砸，高频干扰不能绕砸，选用长一点的磁环。
3. 通过磁环的电流大小正比于磁环的体积，两者失调容易造成磁饱和，降低元件性能；避免失效的方法是将两根线（V+/V-）同时穿过一个磁环；
——类似共模电感器的工作原理，起到共模抑制的作用。
4. 抑制高频干扰信号时，选择镍锌铁氧体；反之使用锰锌铁氧体。
——镍锌铁氧体的高频特性优于锰锌铁氧体。具体参考器件规格资料参数。
2，磁环与其它电感器比较
1. 磁环与共模电感器：磁环多用于EMC传导发射（CE）测试，或电源线上瞬态干扰的抑制；共模电感器用于PCB板的差分信号，以滤除共模干扰；
2. 磁环与磁铁：
1, 两者磁性都是硬磁（永磁），主要成分是铁、钴、镍等；磁铁一般用于扬声器，磁疗，核磁共振和发电机上；磁环用于电子产品的抗干扰和滤波；
——硬磁材料又称为永磁材料：是指那些难以磁化，且除去外场以后，仍能保留高的剩余磁化强度的材料。
2, 磁铁有两极：N极，S极；磁环没有极性。
3. 磁环与磁珠：磁环与磁珠的主要成分都是铁氧体，两者不同点在于：磁环与电源/信号线无直接电气连接。
4. 磁环与电感器：电感器主要是将能量储存起来，其磁芯一般采用镍锌铁氧体或锰锌铁氧体等材料，区别在于磁环具有高损耗系数，把高频能量通过涡流转换成热能，从而抑制高频信号通过。
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