面向Home Bus系统的电感选型指南

规则1：两个电感应尽可能相互靠近放置，以减少磁通泄漏。

当两个电感“耦合”时，电感对的总电感大于L1 + L2（L1和L2的串联组合）。总电感LTOTAL = L1 + L2 + 2M，其中M是L1和L2磁耦合所产生的互感。互感M = k x √(L1xL2)，其中k是介于0和1之间的耦合系数。k=1表示磁通漏泄为零，L1和L2之间100%磁耦合。图8(C)中的红线表示两个电感之间的磁耦合；两个电感位置越近，耦合越理想，泄漏越小，因此互感M越大。

耦合系数k = 1时，如图8(A)所示配置的两个8.3mH电感的最终差模电感为L1 + L2 + 2k x √(L1 x L2) = 33.2mH。实际上，耦合系数k始终小于1。当这两个电感相距1mm时，测得的差模电感为25.8mH。电感减小是由磁通泄漏造成的。互感M = 0.5 x (25.8mH - 8.3mH x 2) = 4.6mH，表明耦合系数k = M/√(L1 x L2) = 4.6mH/8.3mH = 0.55。

当这两个电感相距1cm时，最终差模电感进一步减小，实测值为19.3mH。耦合系数降至0.33。

当这两个电感相距10cm时，测得的差模电感为16.6mH，与两个独立电感串联连接且无任何磁耦合的情况相同。这意味着磁耦合太弱，无法产生任何有意义的互感。

规则2：以差模配置将其配对。放置两个单独电感，使得在差模信号通过时，磁通沿相同方向产生。

当耦合对采用共模配置时，两个电感的磁通在差模信号通过时，沿相同方向产生并相互抵消，如图9所示。总电感LTOTAL减小，小于L1和L2的串联组合。

图9 (A)共模连接，(B)PCB上，(C)差模信号通过时的磁场

当两个电感采用差模配置（如图8(B)所示）且相距1cm时，测得的差模电感为20.3mH，大于两个独立电感的串联组合16.6mH。磁通相加，使得最终耦合电感更大。

当两个电感采用共模配置（如图9(B)所示）且相距1cm时，测得的差模电感为14.7mH，小于16.6mH。磁通相互抵消，使得最终耦合的差模电感减小。

在图10和图11中，两个Home Bus节点以50kbps的速率进行通信，使用两个独立电感创建“交流阻断”电感对。从表2可知，在50kbps数据速率下，所需的总线总电感为0.8mH。图10显示，当使用两个390μH电感来实现780μH的总电感（小于所需的最小总线电感）时，接收器波形发生失真。电感对负载200mA电流，这进一步降低了总线上的总有效电感。图11显示，当电感对由两个3.9mH电感构成以实现大于所需最小值的总线电感时，相同工作条件下的总线波形干净无失真。

图10 50kbps总线波形，使用两个390µH独立电感作为“交流阻断”电感对

图11 50kbps总线波形，使用两个3.9mH独立电感作为“交流阻断”电感对

使用变压器

电力变压器用于在初级侧和次级侧之间升压或降压。在Home Bus应用中使用变压器时，应注意以下要求：

确保匝数比为1:1。大多数变压器的匝数比通常不是1:1。初级侧和次级侧通常具有不同的交流电压。

测量差模电感，因为数据手册中往往不会给出线圈电感。

变压器通常尺寸庞大，需要占据巨大的空间。

使用共模扼流圈

共模扼流圈用于滤除共模噪声。大多数共模扼流圈不适合Home Bus应用，原因如下：

差模电感比共模电感小得多。

共模扼流圈的额定电流相对较小，其典型工作频率通常远高于Home Bus应用使用的数据速率。

测量差模电感

大多数电感的数据手册未提供Home Bus应用所用数据速率和偏置电流条件下的差模电感信息。通常，鉴定所选电感对的最简单方法是使用LCR表测定其特性。在应用的数据速率和偏置电流下测量差模电感和相位时，应注意以下几点：

理想电感具有+90°相位，意味着其电流落后于其电压90°。

当电感磁芯饱和时，电感值会迅速下降。数据手册中有时会给出滚降率。

每个电感都有一个自谐振频率，该值通常随直流偏置电流而变化。

使用LCR表是标定所选电感的最简单方法。图12显示了使用LCR表测量差模电感的典型设置。表3展示了在实验室中使用Instek LCR-6300仪表进行测量的四个例子，并列出了它们在200kbps数据速率和200mA负载电流的Home Bus应用中的性能。

图12 使用LCR表测量差模电感

表3 使用LCR表进行特性分析和波形测量

根据表2，200kbps条件下所需的总线最小总电感为200μH。Wurth共模电力线扼流圈（产品型号7446323004）无法提供所需的最小差模电感，因此总线波形发生失真。

设计示例

示例1：57.6kbps的双节点网络

考虑一个以57.6kbps数据速率运行的双节点Home Bus网络，如图3所示。图13为简化的等效模型。供电节点通过“交流阻断”电感L1向总线供应100mA电流，而MAX22088通过其集成的“有源电感”从总线获取电力。在此示例中，元件针对57.6kbps数据速率进行了优化，选择Wurth Electronics, Inc. 的100mH耦合电感（产品型号750318652）作为“交流阻断”电感L1。

图13 双节点网络等效模型

为了确定此耦合电感能否用于该应用，计算总线上的总阻抗ZBUS = ZL1 || (ZC1+ RIO1) || (ZC1 + RIO1) || ZLAC || (ZC2 + REQV + ZC2)，其中：

L1 = 138mH（20kHz、100mA偏置电流条件下，来自基准特性测试）

LAC = 22.4mH（使用MAX22088数据手册中的公式）

静态端接电阻RTRM2 = 1kΩ

MAX22288 AIO/BIO输入阻抗RIO1 = 30kΩ（典型值）

MAX22088 AIO/BIO输入阻抗RIO2 = 10kΩ（典型值）

REQV = 952Ω，由下式得出：1/REQV = 1/(2 x RIO2) + 1/RTRM2

耦合电容 = 2.2μF

数据速率 = 57.6kbps，或f0 = 28.8kHz

所以，

ZL1 = 2π x f0 x L1 = 25kΩ

ZLAC = 2π x f0 x LAC = 4kΩ

ZC1 = ZC2 = 1/(2π x f0 x 2.2μF) = 2.5Ω

ZC1 + RIO1 = 30kΩ

ZC2 + REQV + ZC2 = 957Ω

因此，ZBUS = ZL1 || (ZC1+RIO1) || (ZC1 + RIO1) || ZLAC || (ZC2 + REQV + ZC2) = 25kΩ || 30kΩ || 30kΩ|| 4kΩ || 957Ω = 713Ω，大于所需的最小总线端接电阻100Ω。

MAX22088和MAX22888评估套件均使用了该Wurth耦合电感，它支持57.6kbps的Home Bus应用。

示例2：200kbps的8节点网络

在此示例中，考虑一个以200kbps速率运行的8节点Home Bus系统，如图14所示。L1是供电节点中的“交流阻断”电感，为总线提供总计250mA的电流。我们需要确定是否能够使用Wurth Electronics, Inc.的耦合电感（产品型号744851102）。

图14 简化的8节点Home Bus系统

总线上的总阻抗ZBUS = ZNODE1 || ZNODE2 || ZNODE3 || ZNODE4 || ZNODE5 || ZNODE6 || ZNODE7 || ZNODE8，其中：

ZNODE1是节点1（供电节点）的总阻抗。

ZNODE2至ZNODE6是节点2至6（纯数据节点）的总阻抗。

ZNODE7和ZNODE8是节点7和8（受电节点）的总阻抗。

图15 (A)节点1（供电节点）、(B)节点2至6（纯数据节点）和(C)节点7至8（受电节点）的等效电路

考虑供电节点及其等效电路，如图15(A)所示，ZNODE1 = ZL1 || (ZC1 + REQV1 + ZC1)，其中：

L1 = 358μH（100kHz、250mA偏置电流条件下，来自基准特性测试）

静态端接电阻RTRM1 = 1kΩ

MAX22288 AIO/BIO输入阻抗RIO1 = 30kΩ（典型值）

REQV1 = 983.6Ω，由下式得出：1/REQV1 = 1/(2*RIO1) + 1/RTRM1

耦合电容 = 1μF

数据速率 = 200kbps，或f0 = 100kHz

所以，

ZL1 = 2π x f0 x L1 = 225Ω

ZC1 = 1/(2π x f0 x 1μF) = 1.6Ω

ZC1 + REQV1 + ZC1 = 987Ω

因此，ZNODE1 = 225Ω || 987Ω = 183Ω。

考虑纯数据节点及其等效电路，如图15(B)所示，ZNODE2-6 = (ZC1 + RIO1) || (ZC1 + RIO1)，其中：

MAX22288 AIO/BIO输入阻抗RIO1 = 30kΩ（典型值）

ZC1 = 1/(2π x f0 x 1μF) = 1.6Ω

因此，ZNODE2-6 = (30kΩ + 1.6Ω) || (30kΩ + 1.6Ω) = 15kΩ。

考虑受电节点及其等效电路，如图15(C)所示，ZNODE7-8 = ZLAC || (ZC2 + RIO2) || (ZC2 + RIO2)，其中：

LAC7 = 35mH（50mA负载电流下，使用MAX22088数据手册中的公式）

LAC8 = 16mH（200mA负载电流下，使用MAX22088数据手册中的公式）

MAX22088 AIO/BIO输入阻抗RIO1 = 10kΩ（典型值）

所以，

ZLAC7 = 2π x f0 x LAC7 = 22kΩ

ZLAC8 = 2π x f0 x LAC8 = 10kΩ

ZC2 = 1/(2π x f0 x 1μF) = 1.6Ω

因此，ZNODE7 = 22kΩ || (10kΩ + 1.6Ω) || (10kΩ + 1.6Ω) = 4kΩ，ZNODE8 = 10kΩ || (10kΩ + 1.6Ω) || (10kΩ + 1.6Ω) = 3.3kΩ。

总线上的总阻抗ZBUS = ZNODE1 || ZNODE2 || ZNODE3 || ZNODE4 || ZNODE5 || ZNODE6 || ZNODE7 || ZNODE8 = 183Ω || (15kΩ / 5) || 4kΩ || 3.3kΩ = 157Ω，大于所需的最小总线端接电阻100Ω。图16显示了节点1（供电节点）处的总线波形。

图16 节点1（供电节点）处的总线波形

结语

本应用笔记阐述了为Home Bus系统选择合适“交流阻断”电感的标准。建议使用“耦合电感”或配置为“电感对”的两个独立电感。务必根据实际应用条件，采用本应用笔记中讨论的标准和方法，在试验台上确定所选的“交流阻断”电感是否合格。

本应用笔记还提供了示例和基准测量结果，以帮助读者为Home Bus应用选择合适的电感。

参考文献

MAX22088数据手册和MAX22088评估套件

MAX22288数据手册和MAX22288评估套件

Home Bus简介，Home Bus简介 | ADI公司