規則1：兩個電感應盡可能相互靠近放置，以減少磁通泄漏。

當兩個電感“耦合”時，電感對的總電感大于L1 + L2（L1和L2的串聯組合）。總電感LTOTAL = L1 + L2 + 2M，其中M是L1和L2磁耦合所產生的互感。互感M = k x √(L1xL2)，其中k是介于0和1之間的耦合系數。k=1表示磁通漏泄為零，L1和L2之間100%磁耦合。圖8(C)中的紅線表示兩個電感之間的磁耦合；兩個電感位置越近，耦合越理想，泄漏越小，因此互感M越大。

耦合系數k = 1時，如圖8(A)所示配置的兩個8.3mH電感的最終差模電感為L1 + L2 + 2k x √(L1 x L2) = 33.2mH。實際上，耦合系數k始終小于1。當這兩個電感相距1mm時，測得的差模電感為25.8mH。電感減小是由磁通泄漏造成的。互感M = 0.5 x (25.8mH - 8.3mH x 2) = 4.6mH，表明耦合系數k = M/√(L1 x L2) = 4.6mH/8.3mH = 0.55。

當這兩個電感相距1cm時，最終差模電感進一步減小，實測值為19.3mH。耦合系數降至0.33。

當這兩個電感相距10cm時，測得的差模電感為16.6mH，與兩個獨立電感串聯連接且無任何磁耦合的情況相同。這意味著磁耦合太弱，無法產生任何有意義的互感。

規則2：以差模配置將其配對。放置兩個單獨電感，使得在差模信號通過時，磁通沿相同方向產生。

當耦合對采用共模配置時，兩個電感的磁通在差模信號通過時，沿相同方向產生并相互抵消，如圖9所示。總電感LTOTAL減小，小于L1和L2的串聯組合。

圖9 (A)共模連接，(B)PCB上，(C)差模信號通過時的磁場

當兩個電感采用差模配置（如圖8(B)所示）且相距1cm時，測得的差模電感為20.3mH，大于兩個獨立電感的串聯組合16.6mH。磁通相加，使得最終耦合電感更大。

當兩個電感采用共模配置（如圖9(B)所示）且相距1cm時，測得的差模電感為14.7mH，小于16.6mH。磁通相互抵消，使得最終耦合的差模電感減小。

在圖10和圖11中，兩個Home Bus節點以50kbps的速率進行通信，使用兩個獨立電感創建“交流阻斷”電感對。從表2可知，在50kbps數據速率下，所需的總線總電感為0.8mH。圖10顯示，當使用兩個390μH電感來實現780μH的總電感（小于所需的最小總線電感）時，接收器波形發生失真。電感對負載200mA電流，這進一步降低了總線上的總有效電感。圖11顯示，當電感對由兩個3.9mH電感構成以實現大于所需最小值的總線電感時，相同工作條件下的總線波形干凈無失真。

圖10 50kbps總線波形，使用兩個390μH獨立電感作為“交流阻斷”電感對

圖11 50kbps總線波形，使用兩個3.9mH獨立電感作為“交流阻斷”電感對

使用變壓器

電力變壓器用于在初級側和次級側之間升壓或降壓。在Home Bus應用中使用變壓器時，應注意以下要求：

確保匝數比為1:1。大多數變壓器的匝數比通常不是1:1。初級側和次級側通常具有不同的交流電壓。

測量差模電感，因為數據手冊中往往不會給出線圈電感。

變壓器通常尺寸龐大，需要占據巨大的空間。

使用共模扼流圈

共模扼流圈用于濾除共模噪聲。大多數共模扼流圈不適合Home Bus應用，原因如下：

差模電感比共模電感小得多。

共模扼流圈的額定電流相對較小，其典型工作頻率通常遠高于Home Bus應用使用的數據速率。

測量差模電感

大多數電感的數據手冊未提供Home Bus應用所用數據速率和偏置電流條件下的差模電感信息。通常，鑒定所選電感對的最簡單方法是使用LCR表測定其特性。在應用的數據速率和偏置電流下測量差模電感和相位時，應注意以下幾點：

理想電感具有+90°相位，意味著其電流落后于其電壓90°。

當電感磁芯飽和時，電感值會迅速下降。數據手冊中有時會給出滾降率。

每個電感都有一個自諧振頻率，該值通常隨直流偏置電流而變化。

使用LCR表是標定所選電感的最簡單方法。圖12顯示了使用LCR表測量差模電感的典型設置。表3展示了在實驗室中使用Instek LCR-6300儀表進行測量的四個例子，并列出了它們在200kbps數據速率和200mA負載電流的Home Bus應用中的性能。

圖12 使用LCR表測量差模電感

表3 使用LCR表進行特性分析和波形測量

根據表2，200kbps條件下所需的總線最小總電感為200μH。Wurth共模電力線扼流圈（產品型號7446323004）無法提供所需的最小差模電感，因此總線波形發生失真。

設計示例

示例1：57.6kbps的雙節點網絡

考慮一個以57.6kbps數據速率運行的雙節點Home Bus網絡，如圖3所示。圖13為簡化的等效模型。供電節點通過“交流阻斷”電感L1向總線供應100mA電流，而MAX22088通過其集成的“有源電感”從總線獲取電力。在此示例中，元件針對57.6kbps數據速率進行了優化，選擇Wurth Electronics, Inc. 的100mH耦合電感（產品型號750318652）作為“交流阻斷”電感L1。

圖13 雙節點網絡等效模型

為了確定此耦合電感能否用于該應用，計算總線上的總阻抗ZBUS = ZL1 || (ZC1+ RIO1) || (ZC1 + RIO1) || ZLAC || (ZC2 + REQV + ZC2)，其中：

L1 = 138mH（20kHz、100mA偏置電流條件下，來自基準特性測試）

LAC = 22.4mH（使用MAX22088數據手冊中的公式）

靜態端接電阻RTRM2 = 1kΩ

MAX22288 AIO/BIO輸入阻抗RIO1 = 30kΩ（典型值）

MAX22088 AIO/BIO輸入阻抗RIO2 = 10kΩ（典型值）

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

耦合電容 = 2.2μF

數據速率 = 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，大于所需的最小總線端接電阻100Ω。

MAX22088和MAX22888評估套件均使用了該Wurth耦合電感，它支持57.6kbps的Home Bus應用。

示例2：200kbps的8節點網絡

在此示例中，考慮一個以200kbps速率運行的8節點Home Bus系統，如圖14所示。L1是供電節點中的“交流阻斷”電感，為總線提供總計250mA的電流。我們需要確定是否能夠使用Wurth Electronics, Inc.的耦合電感（產品型號744851102）。

圖14 簡化的8節點Home Bus系統

總線上的總阻抗ZBUS = ZNODE1 || ZNODE2 || ZNODE3 || ZNODE4 || ZNODE5 || ZNODE6 || ZNODE7 || ZNODE8，其中：

ZNODE1是節點1（供電節點）的總阻抗。

ZNODE2至ZNODE6是節點2至6（純數據節點）的總阻抗。

ZNODE7和ZNODE8是節點7和8（受電節點）的總阻抗。

圖15 (A)節點1（供電節點）、(B)節點2至6（純數據節點）和(C)節點7至8（受電節點）的等效電路

考慮供電節點及其等效電路，如圖15(A)所示，ZNODE1 = ZL1 || (ZC1 + REQV1 + ZC1)，其中：

L1 = 358μH（100kHz、250mA偏置電流條件下，來自基準特性測試）

靜態端接電阻RTRM1 = 1kΩ

MAX22288 AIO/BIO輸入阻抗RIO1 = 30kΩ（典型值）

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

耦合電容 = 1μF

數據速率 = 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。

考慮純數據節點及其等效電路，如圖15(B)所示，ZNODE2-6 = (ZC1 + RIO1) || (ZC1 + RIO1)，其中：

MAX22288 AIO/BIO輸入阻抗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。

考慮受電節點及其等效電路，如圖15(C)所示，ZNODE7-8 = ZLAC || (ZC2 + RIO2) || (ZC2 + RIO2)，其中：

LAC7 = 35mH（50mA負載電流下，使用MAX22088數據手冊中的公式）

LAC8 = 16mH（200mA負載電流下，使用MAX22088數據手冊中的公式）

MAX22088 AIO/BIO輸入阻抗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。

總線上的總阻抗ZBUS = ZNODE1 || ZNODE2 || ZNODE3 || ZNODE4 || ZNODE5 || ZNODE6 || ZNODE7 || ZNODE8 = 183Ω || (15kΩ / 5) || 4kΩ || 3.3kΩ = 157Ω，大于所需的最小總線端接電阻100Ω。圖16顯示了節點1（供電節點）處的總線波形。

圖16 節點1（供電節點）處的總線波形

結語

本應用筆記闡述了為Home Bus系統選擇合適“交流阻斷”電感的標準。建議使用“耦合電感”或配置為“電感對”的兩個獨立電感。務必根據實際應用條件，采用本應用筆記中討論的標準和方法，在試驗臺上確定所選的“交流阻斷”電感是否合格。

本應用筆記還提供了示例和基準測量結果，以幫助讀者為Home Bus應用選擇合適的電感。

參考文獻

MAX22088數據手冊和MAX22088評估套件

MAX22288數據手冊和MAX22288評估套件

Home Bus簡介，Home Bus簡介 | ADI公司