共模电感S参数与Z参数模型提取方法与仿真应用（刘春霞）

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共模电感S参数与Z参数模型提取方法与仿真应用

单位名称：深圳市赛盛技术有限公司作者：吉娅尼卡/一路向西时间：2019/11/15

1、共模电感的工作原理

共模电感(Common mode Choke)，也叫共模扼流圈，共模电感是一个以铁氧体等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，线圈的绕制方向相反，形成一个四端口器件。当两线圈中流过差模电流时，产生两个相互抵消的磁场H1、H2，此时工作电流主要受线圈欧姆电阻以及可以忽略不计的工作频率下小漏感的阻尼，所以差模信号可以无衰减地通过。

共模电感的工作原理示意图如下：

图1 共模电感工作原理

本案例使用的共模滤波电感原型及电气参数如下所示，该产品的型号为：XC43444A2H3，其额定电压为250V，额定电流为2A，电感值为3mH。

图2 XC43444A2H3电感原型

2、共模电感的参数计算与测试

2.1 共模电感的参数计算

对于共模扼流圈，公式中的电感量为差模电感量。电感量与线圈匝数的平方成正比，因此随着匝数的增加，电感量增加很快。如果能够得到磁芯的详细技术参数，当然可以利用公式计算电感量。如果手头有一个现成的磁芯，想用这个磁芯制作一个电感，可以用下面的方法对电感所需匝数作简单估算：

1. 先在这个磁芯上绕 n 匝，用电感表测量其电感量，设读数为L0

2. 如果你需要的电感量为L，根据匝数与感量的关系

则应该绕制的匝数N为：

2.2 共模电感的传统参数测试

传统共模电感的参数测试方法一般都是采用电桥测量共模电感的共模感量及差模感量，采用阻抗分析仪测量其共模阻抗曲线及差模阻抗曲线，该过程比较繁琐，每次都要重新焊接拆卸共模电感的端子。共模电感通常有两个关键参数：共模感量、差模感量（差模漏感）。电感感量测量方法如下表：

表1　共模电感的感量测量

关键参数

示意图

描述

共模感量

将共模电感一侧两根线短接，另一侧两根线也短接，使用电桥即可测量其共模电感感量，使用阻抗分析仪即可测量其共模阻抗曲线

差模感量

将共模电感一侧两根线抽出，另一侧两根线短接，使用电桥即可测量其差模电感感量，使用阻抗分析仪即可测量其差模阻抗曲线

磁芯的导磁率是影响共模电感感量的重要因素，磁芯的导磁率越高，每匝的电感量越大。以下为三种常用磁芯的主要特征

通常电感线圈的寄生电容来自两个方面，一个是线圈每匝之间的电容，另一个是线圈导线与磁芯之间的电容。当电感磁芯为非导体时，匝间电容是主要的，当磁芯为导体时，导线与磁芯之间的电容是主要的。正确判断主要因素对于采取适当的措施减小寄生电容十分重要。

图3 电感线圈寄生电容分布

每匝之间的电容为CTT，导线与磁芯之间的电容为CTC，当磁芯为导体时，CTC为主要因素，当磁芯为非导体时，CTT为主要因素。

下图为分别将铁粉芯与铁氧体作为磁芯材料时，产生的不同的分布电容量。而且从中可以看出，当将绕线方式改为松散绕制时，电容下降了将近20%。用锰锌铁氧体作磁芯时，由于这种材料导电率较高，则导线与磁芯之间的电容量较大，绕线方式引起的分布电容值较小。

2.3 共模电感传统参数的使用缺陷

1、无法获得准确阻抗模型用于工程应用、仿真分析与计算及电路设计指导；

2、测试过程比较繁琐，每次都要重新焊接拆卸共模电感的端子；

3、无法衡量电感的滤波性能，需要应用人员具有很好的EMC工程经验才能判断出电感磁芯、绕制工艺对EMC性能的影响；

4、因此对于传统共模电感，也非常有必要使用更加工程化的有效参数来表示其EMC滤波性能，S参数与Z参数就是非常理想的衡量指标。

2.4 共模电感的S参数与Z参数获取

1. 插入损耗S参数定义

插入损耗（Insertion Loss）指将某些器件或分支电路(滤波器、阻抗匹配器等)加进某一电路时，能量或增益的损耗，在测量器件的S参数时， S21就表示该器件的插入损耗。在滤波电路中，插入损耗通常用来衡量该滤波电路对电磁噪声的抑制能力。插入损耗通常以dB（分贝）的形式表示，其计算公式为

其中，IL为插损，Uo为输出信号，Ui为输入信号

2. S参数测量仪器

名称：射频网络分析仪

型号：Agilent E5071B

频率范围：300kHz至8.5GHz

3. S参数测试方法

频率设置为300kHz~200MHz，在完成仪器的校准后，取下校准用的标准件，接上需要测试的器件。按控制面板的“Format”键，在显示屏上选择“LogMag”;然后按“Meas”键，选择S21，就可以看到被测试的器件的插入损耗了。

由于共模电感为二端口器件，需要测量共模插损（Scc）与差模插损 (Sdd)，因此在完成校准之后需要按下控制面板上的Analysis键，如图4所示

图4 网络分析仪控制面板使用

然后点击屏幕上的Fixture Simulator，将Fixture Simulator下的OFF切换成ON， Tnopology键下的SE-Bal设置为Bal-Bal，BalUn下的OFF设置为ON。如下图所示。

图5 网络分析仪混合模式测量设置

按下SAVE/RECALL键，在屏幕上点击save snp, 再选择s4p，就可以保存所需要的s4p文件了，s4p文件为包含了该共模电感四个端子的所有混合模式的S参数。测量布置如下图所示。

图6 测试环境布置

4、S参数转Z参数方法

通过使用网络分析仪，可以直接测量出共模电感的S参数，但是不能直接测得其Z参数，通常在实际应用中，需要查看其阻抗特性曲线及Z参数曲线是必不可少的，因此接下来介绍一种将S参数曲线转成Z参数曲线的方法。

根据上面测得的共模电感s4p文件，经CST设计工作室转换，可以得到该共模电感的共模插损、差模插损、共模阻抗及差模阻抗分别随频率的变化曲线，下面为详细的操作介绍。

第一步，打开CST设计工作室，点击下图圆中的图标，将.s4p文件（CHOCK.S4P）导入。

图7 S4P文件导入CST

第二步，单击Miscellaneous，找到差共模分离器，红色圆框内所示，其中C代表共模，D代表差模，电路连接如下图所示，左边的黄色方框为激励端口。

图8 测Z参数（共模阻抗）连接图

图9 测S参数（SCC21）连接图

第三步，设置Simulation task，添加S参数任务，如图10、图11所示，并在结果设置栏中将Z参数由off设为on，如图12所示

图10 S参数任务添加

图11 S参数任务设置

图12 设置Z参数

点击update，则可以在左边的结果栏中查看S参数及Z参数曲线。其中共模电感Scc（共模插损）参数结果如下图所示

图13 共模电感S参数曲线

将S参数转换成Z参数后结果如下图所示

图14 共模电感阻抗曲线

3、该共模电感S参数模型在滤波电路仿真中的应用

由于CST软件中没有共模电感的模块，因此在仿真滤波电路时，PCB上的共模电感需要将实际元件用网络分析仪测得其s4p文件，并将其导入CST设计工作室中与PCB上预留的端口进行连接，原理图及其PCB模型如下图所示。其中C1、C2为差模电容，容值是1uF，额定电压是100V。C3、C4为共模电容，容值为0.1uF，额定电压为100V。L1为前面测量的型号为XC43444A2H3的共模电感。