電源變壓器通常是隔離開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器中共模噪聲的主要來(lái)源。為什么?因?yàn)樵谧儔浩鲀?nèi)部，隔離柵初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的繞組非常接近(通常間隔小于 1 毫米)，導(dǎo)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(zhuǎn)換器中，初級(jí)繞組連接到初級(jí)開(kāi)關(guān)的漏極，該初級(jí)開(kāi)關(guān)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(guò)寄生電容從初級(jí)注入到次級(jí)的共模電流，這通常是許多電磁干擾 (EMI) 問(wèn)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(shè)計(jì)技術(shù)可以最大限度地減少變壓器對(duì) EMI 的影響。然而，檢查變壓器對(duì) EMI 的影響以及如何優(yōu)化變壓器結(jié)構(gòu)可能非常困難且耗時(shí)。對(duì)于您想要測(cè)試的每個(gè)變壓器設(shè)計(jì)，您需要將變壓器焊接到 PCB 上，將電源轉(zhuǎn)換器放在 EMI 測(cè)試夾具上，然后運(yùn)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(jiǎn)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(cè)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(cè)量。請(qǐng)注意，該變壓器在初級(jí)上有兩個(gè)繞組(W P和 W AUX)，在次級(jí)上有一個(gè)繞組(W S)。

首先，使用一根短電線將初級(jí)上的交流安靜節(jié)點(diǎn)連接在一起。交流安靜節(jié)點(diǎn)是變壓器上與電路中的初級(jí)接地相連的任何引腳，可以直接連接或通過(guò)電容器連接。在此示例中，引腳 2 和引腳 3 都是隔離柵初級(jí)側(cè)的交流安靜節(jié)點(diǎn)。如果您的變壓器次級(jí)有多個(gè)繞組，您還需要將所有次級(jí)安靜節(jié)點(diǎn)連接在一起，但不要將它們連接到初級(jí)安靜節(jié)點(diǎn)。

圖 2變壓器 CMRR 測(cè)試設(shè)置，使用一根短電線將初級(jí)和次級(jí)上的交流安靜節(jié)點(diǎn)連接在一起，并在初級(jí)繞組上施加一個(gè)小的正弦波，以測(cè)量初級(jí)和次級(jí)交流安靜之間感應(yīng)的電壓之間的比率節(jié)點(diǎn)和函數(shù)發(fā)生器注入的電壓(CMRR)。

接下來(lái)，使用函數(shù)發(fā)生器在變壓器的初級(jí)繞組上施加一個(gè)小的正弦波。這模仿了初級(jí)繞組電壓，但現(xiàn)在您正在使用安全低電壓的單一頻率進(jìn)行測(cè)試。信號(hào)的幅度并不重要，因?yàn)樽儔浩鞯募纳娙莺艽蟪潭壬吓c電壓幅度無(wú)關(guān)。

最后，使用示波器的一個(gè)通道測(cè)量函數(shù)發(fā)生器注入的電壓。使用另一個(gè)通道，測(cè)量初級(jí)和次級(jí)交流安靜節(jié)點(diǎn)之間感應(yīng)的電壓。這兩個(gè)信號(hào)的比率本質(zhì)上是共模抑制比 (CMRR)，表明電源變壓器在該頻率下對(duì)共模噪聲的影響有多大。

圖 3顯示了兩個(gè)不同變壓器在 100 kHz 下的測(cè)試結(jié)果。變壓器 #1 使用的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致 CMRR 為 –39.6 dB，而變壓器 #2 的 CMRR 更高，測(cè)量結(jié)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(shí)域變壓器 CMRR 測(cè)試結(jié)果表明，在 100 kHz 的測(cè)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(yīng)分析儀 (FRA) 執(zhí)行相同的測(cè)試，以在整個(gè)感興趣的頻率范圍內(nèi)掃描注入信號(hào)的頻率。圖 4顯示了相同的兩個(gè)變壓器在 100 kHz 至 30 MHz 的寬頻率范圍內(nèi)的 FRA 測(cè)量結(jié)果。請(qǐng)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(cè)試密切相關(guān)，表明 100 kHz 的函數(shù)發(fā)生器測(cè)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(yīng)該在感興趣的頻率下測(cè)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(duì)變壓器 #1 和 #2 進(jìn)行頻域變壓器 CMRR 測(cè)試結(jié)果。

圖 5顯示了將這兩個(gè)變壓器焊接到開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器 PCB 上的結(jié)果，根據(jù)國(guó)際無(wú)線電擾動(dòng)特殊委員會(huì) (CISPR) 32 B 級(jí)限制測(cè)量傳導(dǎo) EMI。上限線對(duì)應(yīng)于準(zhǔn)峰值測(cè)量，下限線對(duì)應(yīng)于平均值測(cè)量。正如預(yù)期的那樣，變壓器 #2 的 EMI 結(jié)果比變壓器 #1 差。事實(shí)上，變壓器 #1 通過(guò)了相當(dāng)大的余量，而變壓器 #2 幾乎沒(méi)有失敗。

圖 5變壓器的傳導(dǎo) EMI 測(cè)試結(jié)果，其中變壓器 #1 通過(guò)了裕量，而變壓器 #2 幾乎沒(méi)有失敗。

有趣的是，本例中的兩個(gè)變壓器具有相同的繞組結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。 CMRR 的差異完全歸因于制造過(guò)程的變化，這表明 EMI 對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)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(lèi)的微小變化可能會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

對(duì)于變壓器結(jié)構(gòu)的示例，很明顯，您不能確信生產(chǎn)中的所有設(shè)備都將通過(guò) CISPR 32 傳導(dǎo) 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(cè)試來(lái)篩選生產(chǎn)過(guò)程中的每個(gè)變壓器樣品。該測(cè)試與通常用于測(cè)試和篩選變壓器繞組之間匝數(shù)比的測(cè)試類(lèi)型非常相似，因此不需要特殊設(shè)備。在示例中，只有通過(guò) CMRR 小于 –38 dB 的變壓器，所有單元在組裝到電源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中時(shí)才很有可能通過(guò) EMI。

變壓器對(duì)EMI的影響

調(diào)試 EMI 問(wèn)題充滿了許多障礙和困難。本強(qiáng)力提示中描述的簡(jiǎn)單測(cè)量技術(shù)可以為您在焊接臺(tái)和實(shí)驗(yàn)室中節(jié)省大量時(shí)間并減少挫敗感。對(duì)于您的下一個(gè)隔離電源設(shè)計(jì)，在將電源變壓器焊接到電路板之前，請(qǐng)花幾分鐘測(cè)量它們的 CMRR，然后將 CMRR 與產(chǎn)生的 EMI 進(jìn)行比較。您將更好地了解變壓器對(duì) EMI 的影響，以及什么級(jí)別的變壓器 CMRR 可以通過(guò)系統(tǒng)中的 EMI。