应用笔记 3245

闭环DC-DC转换器网络分析中的注入变压器


摘要 : 电流变压器作为电压变压器使用,可替代作为测试配件出售的注入变压器,赢得更高的成本效益。

工程实验室通常配备有网络分析仪,但很少配备用于DC-DC转换器闭环分析的注入变压器。Agilent公司出售这种变压器,作为测试设备配件,但是价格昂贵。Ridley Engineering和Venable公司也出售注入变压器。这种注入变压器具有出色的性能指标,但是价格也很昂贵。注意,它们的作用仅仅是变压器。作为另外一种替代方案,你也可以将电流变压器作为电压变压器使用,获得一个更具成本效益的注入变压器。

设计变压器时,最难的参数是带宽。一方面,低频性能需要更大的磁芯和更多的匝数,这样会增大变压器的物理尺寸。另一方面,高频性能需要良好的耦合、小尺寸和最少的匝数。

幸好,电流变压器适合大多数应用场合。例如,Pulse Engineering公司的PE-51687在铁氧体磁芯上有一个100匝的初级绕组,没有次级绕组。磁芯上有一个通孔,用户可以用标准导线自己绕制任意匝数的次级线圈。这条线同时也作为待测电路的一条连接线,并能根据次级线圈的匝数提供一定的驱动电平。

由于构建的是电压变压器,因此需要控制初级电压。假使变压器的初级电抗比网络分析仪源电抗高,则给初级并联一个50Ω电阻,就可正确地端接网络分析仪的信号源。低频情况下,初级感抗必须大于从变压器看过去的戴维南(Thevenin)等效阻抗(25Ω)。PE-51687的初级电感为20mH,变压器可以工作的最低频率应满足: Xl = 2 * 3.1416 * Freq * Lprim。

对上式变形可以得到:Freq = 25/6.28 * 20mH) = 200Hz

200Hz的低频截止频率适用于小信号,但是如果电压较大,超过了磁芯的伏秒积指标,则会导致磁芯饱和。PE-51687的初级伏秒积指标为600V * ms (600ms,1V)。因此,驱动电压也会限制低端频率响应。

高频响应受限于初级线圈中的电容。例如,PE-51687的高频响应可达5MHz,并在超出该频率时出现一个峰(图1)。注意到这个峰幅度很高(+15dB),但在次级并联22Ω电阻可使其大幅度降低(图2)。多数情况下,通过限制网络分析仪的扫频上限可避开这个峰。

图1. PE-51687变压器的频率响应,次级线圈的匝数为8。
图1. PE-51687变压器的频率响应,次级线圈的匝数为8。

图2. PE-51687变压器的频率响应,次级并联22Ω电阻。
图2. PE-51687变压器的频率响应,次级并联22Ω电阻。

图1和图2 (还有后面的图5)所示的频响图是在网络分析仪的信号源以0dBm驱动下,利用分析仪的50Ω输入和一个X10 (-20dB)倍的FET探头测得的,测试装置如图3所示。试验所用的变压器有8匝Teflon绝缘的24AWG线(由于Teflon绝缘层可以经受焊接时的高温,适合用来进行电路连接,用其它导线也是可以的)。由于匝数比为100:8,该变压器有-21.9dB的插入损耗。因此,测量值(-42dBm)中包括了FET探头的损耗。

图3. 注入变压器用于环路增益测量。
图3. 注入变压器用于环路增益测量。

在用注入变压器测试闭环系统时,必须在某个点断开环路。这个点对于网络分析仪的A端口(图3)必须有很低的反射阻抗,而对于R端口的反射阻抗必须高。这一点很重要,因为,如果超过交叉点后的闭环增益远小于一的话,变压器注入的信号大部分将会出现在R端口上。

例如,如果R端反射阻抗仅为A端反射阻抗的9倍,那么,十分之一的信号将会出现在A端口上。其余是分之九将出现在R端口,与真正的环路响应无关。这种情况下,需要用缓冲器(例如FET探头)来提高网络分析仪的输入阻抗,使之大于其固有的50Ω。

很多情况下,环路增益测试允许网络分析仪有50Ω的负载,多数电源的输出阻抗远低于50Ω,因此,A端口上的负载问题不是很严重。但要小心不要过驱动网络分析仪的50Ω输入。多数分析仪限制最大输入为5VRMS,若电压过大将会损坏分析仪,随之而来的修理费用十分昂贵。FET探头有-20dB的衰减,允许大多数分析仪无需使用隔直电容器即可测量高达50V电压。

试验装置配置完成之后,应确定适当的注入信号电平。对于网络分析仪而言,较高的信号电平有利于降低背景噪声的影响,但电源对于大幅度的注入信号的响应可能是非线性的。在这种情况下,摆动速率、电流限制或限幅等因素可能会影响电路的行为。因此,建议使用比输出纹波稍大一些的信号。

PE-51687的匝数比为100:8,很容易提供幅度超过大多数输出纹波的信号。对于0dBm (224mVRMS)输入,变压器输出为18mVRMS (50mVP-P)—非常合适的测试电平。网络分析仪的输出信号源可以调整注入电平。如果调解范围不够,还可以通过增加或减少次级匝数来调整驱动电平。

低频工作时,Pulse Engineering公司的PE-51688具有200匝初级绕组,初级电感为80mH,可用信号频率低至50Hz。它的伏秒积指标为1200V * µs。对于高频应用,最好选择50匝的PE-51686。对于更高频率(高达100MHz),可使用Rogowski线圈。这种高带宽电流变压器的初级线圈每匝绕组上都并联了内部电阻,并且初级线圈和磁芯周围有Faraday屏蔽。

并联电阻乘以匝数得到非常接近理想的50Ω阻值,每匝线圈上并联一个电阻这样使阻尼功能分布在整个变压器内。尽管很昂贵,但这种变压器几乎是无振铃的,并且能轻易提供100MHz的信号(图4)。图5所示的网络频响图代表一个50:1 (1V/A)的变压器,次级为单匝线圈,由Pearson Electronics或Stangenes Industries Inc.提供。

图4. Rogowski电流变压器。
图4. Rogowski电流变压器。

图5. 1-V/A, 50:1 Rogowski线圈,单匝次级变压器的频率响应。
图5. 1-V/A, 50:1 Rogowski线圈,单匝次级变压器的频率响应。

电流感应变压器用作信号注入的主要局限在于其较差的低频性能。大多数Bode图在50Hz以下变得非常嘈杂,并且经常超过80dB,它会延伸多数网络分析仪上的噪声极限。不过,多数DC-DC系统在50Hz以下工作得很好,并不需要分析。如果必须测量低频,就必须采用一个更大磁芯或更多线圈的变压器。这样一来会增大变压器的外形尺寸,不利于测试。还可以采用降低频率上限的方法:如今大多数系统的交叉频率远高于10kHz,非常适合PE-51687电流变压器。

本文的类似版本发表于2004年10月的Power Electronics Technology杂志。