電源變壓器通常是隔離開關電源轉換器中共模噪聲的主要來源。為什么?因為在變壓器內(nèi)部，隔離柵初級側和次級側的繞組非常接近(通常間隔小于 1 毫米)，導致相鄰繞組之間存在顯著的寄生電容。
這些繞組上出現(xiàn)的電壓通常具有較大的交流電壓。例如，在圖1所示的反激式轉換器中，初級繞組連接到初級開關的漏極，該初級開關的電壓波形在許多頻率上具有大量交流內(nèi)容。該交流電壓通過寄生電容從初級注入到次級的共模電流，這通常是許多電磁干擾 (EMI) 問題的根源。
圖 1反激式電源變壓器產(chǎn)生的共模噪聲。
值得慶幸的是，屏蔽和共模平衡等變壓器設計技術可以最大限度地減少變壓器對 EMI 的影響。然而，檢查變壓器對 EMI 的影響以及如何優(yōu)化變壓器結構可能非常困難且耗時。對于您想要測試的每個變壓器設計，您需要將變壓器焊接到 PCB 上，將電源轉換器放在 EMI 測試夾具上，然后運行掃描。如果變壓器的 EMI 性能不可接受，則需要將其從 PCB 上拆下，然后重試。
在本電源提示中，我將向您展示一種非常簡單的方法，可以在將變壓器焊接到電路板之前檢查變壓器的 EMI 性能。
僅使用函數(shù)發(fā)生器和示波器，您就可以模擬電路中變壓器的情況并測量變壓器的共模 EMI 特征。圖 2中的圖表顯示了如何為圖 1 中使用的變壓器配置此測量。請注意，該變壓器在初級上有兩個繞組(W P和 W AUX)，在次級上有一個繞組(W S)。
首先，使用一根短電線將初級上的交流安靜節(jié)點連接在一起。交流安靜節(jié)點是變壓器上與電路中的初級接地相連的任何引腳，可以直接連接或通過電容器連接。在此示例中，引腳 2 和引腳 3 都是隔離柵初級側的交流安靜節(jié)點。如果您的變壓器次級有多個繞組，您還需要將所有次級安靜節(jié)點連接在一起，但不要將它們連接到初級安靜節(jié)點。
圖 2變壓器 CMRR 測試設置，使用一根短電線將初級和次級上的交流安靜節(jié)點連接在一起，并在初級繞組上施加一個小的正弦波，以測量初級和次級交流安靜之間感應的電壓之間的比率節(jié)點和函數(shù)發(fā)生器注入的電壓(CMRR)。
接下來，使用函數(shù)發(fā)生器在變壓器的初級繞組上施加一個小的正弦波。這模仿了初級繞組電壓，但現(xiàn)在您正在使用安全低電壓的單一頻率進行測試。信號的幅度并不重要，因為變壓器的寄生電容很大程度上與電壓幅度無關。
最后，使用示波器的一個通道測量函數(shù)發(fā)生器注入的電壓。使用另一個通道，測量初級和次級交流安靜節(jié)點之間感應的電壓。這兩個信號的比率本質上是共模抑制比 (CMRR)，表明電源變壓器在該頻率下對共模噪聲的影響有多大。
圖 3顯示了兩個不同變壓器在 100 kHz 下的測試結果。變壓器 #1 使用的結構導致 CMRR 為 –39.6 dB，而變壓器 #2 的 CMRR 更高，測量結果為 –31.4 dB。這表明變壓器#1 產(chǎn)生的共模噪聲比變壓器#2 少。使用函數(shù)發(fā)生器，您可以研究變壓器在不同頻率下的特性。
圖 3時域變壓器 CMRR 測試結果表明，在 100 kHz 的測試頻率下，變壓器 #1 產(chǎn)生的共模噪聲低于變壓器 #2。
或者，您可以使用頻率響應分析儀 (FRA) 執(zhí)行相同的測試，以在整個感興趣的頻率范圍內(nèi)掃描注入信號的頻率。圖 4顯示了相同的兩個變壓器在 100 kHz 至 30 MHz 的寬頻率范圍內(nèi)的 FRA 測量結果。請注意，增益在 100 kHz 至 4 MHz 左右的寬范圍內(nèi)非常平坦。 100 kHz 的增益與函數(shù)發(fā)生器測試密切相關，表明 100 kHz 的函數(shù)發(fā)生器測試足以表征該頻段內(nèi)的這些變壓器。在高于幾兆赫茲的頻率下，您應該在感興趣的頻率下測量這些變壓器的 CMRR。
圖 4使用 FRA 在 100 kHz 至 4 MHz 的寬頻率范圍內(nèi)對變壓器 #1 和 #2 進行頻域變壓器 CMRR 測試結果。
圖 5顯示了將這兩個變壓器焊接到開關電源轉換器 PCB 上的結果，根據(jù)國際無線電擾動特殊委員會 (CISPR) 32 B 級限制測量傳導 EMI。上限線對應于準峰值測量，下限線對應于平均值測量。正如預期的那樣，變壓器 #2 的 EMI 結果比變壓器 #1 差。事實上，變壓器 #1 通過了相當大的余量，而變壓器 #2 幾乎沒有失敗。
圖 5變壓器的傳導 EMI 測試結果，其中變壓器 #1 通過了裕量，而變壓器 #2 幾乎沒有失敗。
有趣的是，本例中的兩個變壓器具有相同的繞組結構和構造。 CMRR 的差異完全歸因于制造過程的變化，這表明 EMI 對變壓器結構的敏感程度。諸如變壓器內(nèi)單股電線的精確放置或絕緣層的厚度之類的微小變化可能會產(chǎn)生深遠的影響。
對于變壓器結構的示例，很明顯，您不能確信生產(chǎn)中的所有設備都將通過 CISPR 32 傳導 EMI 限制。一種解決方案是增加電路中的 EMI 濾波以提供更多余量。另一種選擇是使用函數(shù)發(fā)生器測試來篩選生產(chǎn)過程中的每個變壓器樣品。該測試與通常用于測試和篩選變壓器繞組之間匝數(shù)比的測試類型非常相似，因此不需要特殊設備。在示例中，只有通過 CMRR 小于 –38 dB 的變壓器，所有單元在組裝到電源轉換器系統(tǒng)中時才很有可能通過 EMI。
變壓器對EMI的影響
調試 EMI 問題充滿了許多障礙和困難。本強力提示中描述的簡單測量技術可以為您在焊接臺和實驗室中節(jié)省大量時間并減少挫敗感。對于您的下一個隔離電源設計，在將電源變壓器焊接到電路板之前，請花幾分鐘測量它們的 CMRR，然后將 CMRR 與產(chǎn)生的 EMI 進行比較。您將更好地了解變壓器對 EMI 的影響，以及什么級別的變壓器 CMRR 可以通過系統(tǒng)中的 EMI。
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