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)點和函數發(fā)生器注入的電壓(CMRR)。

接下來，使用函數發(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 產生的共模噪聲比變壓器#2 少。使用函數發(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 的寬頻率范圍內的 FRA 測量結果。請注意，增益在 100 kHz 至 4 MHz 左右的寬范圍內非常平坦。 100 kHz 的增益與函數發(fā)生器測試密切相關，表明 100 kHz 的函數發(fā)生器測試足以表征該頻段內的這些變壓器。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發(fā)生器測試來篩選生產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。