如何表征电源变压器的 EMI 性能

电源变压器通常是隔离开关电源转换器中共模噪声的主要来源。为什么?因为在变压器内部，隔离栅初级侧和次级侧的绕组非常接近(通常间隔小于 1 毫米)，导致相邻绕组之间存在显着的寄生电容。

这些绕组上出现的电压通常具有较大的交流电压。例如，在图1所示的反激式转换器中，初级绕组连接到初级开关的漏极，该初级开关的电压波形在许多频率上具有大量交流内容。该交流电压通过寄生电容从初级注入到次级的共模电流，这通常是许多电磁干扰 (EMI) 问题的根源。

图 1反激式电源变压器产生的共模噪声。

值得庆幸的是，屏蔽和共模平衡等变压器设计技术可以最大限度地减少变压器对 EMI 的影响。然而，检查变压器对 EMI 的影响以及如何优化变压器结构可能非常困难且耗时。对于您想要测试的每个变压器设计，您需要将变压器焊接到 PCB 上，将电源转换器放在 EMI 测试夹具上，然后运行扫描。如果变压器的 EMI 性能不可接受，则需要将其从 PCB 上拆下，然后重试。

在本电源提示中，我将向您展示一种非常简单的方法，可以在将变压器焊接到电路板之前检查变压器的 EMI 性能。

仅使用函数发生器和示波器，您就可以模拟电路中变压器的情况并测量变压器的共模 EMI 特征。图 2中的图表显示了如何为图 1 中使用的变压器配置此测量。请注意，该变压器在初级上有两个绕组(W P和 W AUX)，在次级上有一个绕组(W S)。

首先，使用一根短电线将初级上的交流安静节点连接在一起。交流安静节点是变压器上与电路中的初级接地相连的任何引脚，可以直接连接或通过电容器连接。在此示例中，引脚 2 和引脚 3 都是隔离栅初级侧的交流安静节点。如果您的变压器次级有多个绕组，您还需要将所有次级安静节点连接在一起，但不要将它们连接到初级安静节点。

图 2变压器 CMRR 测试设置，使用一根短电线将初级和次级上的交流安静节点连接在一起，并在初级绕组上施加一个小的正弦波，以测量初级和次级交流安静之间感应的电压之间的比率节点和函数发生器注入的电压(CMRR)。

接下来，使用函数发生器在变压器的初级绕组上施加一个小的正弦波。这模仿了初级绕组电压，但现在您正在使用安全低电压的单一频率进行测试。信号的幅度并不重要，因为变压器的寄生电容很大程度上与电压幅度无关。

最后，使用示波器的一个通道测量函数发生器注入的电压。使用另一个通道，测量初级和次级交流安静节点之间感应的电压。这两个信号的比率本质上是共模抑制比 (CMRR)，表明电源变压器在该频率下对共模噪声的影响有多大。

图 3显示了两个不同变压器在 100 kHz 下的测试结果。变压器 #1 使用的结构导致 CMRR 为 –39.6 dB，而变压器 #2 的 CMRR 更高，测量结果为 –31.4 dB。这表明变压器#1 产生的共模噪声比变压器#2 少。使用函数发生器，您可以研究变压器在不同频率下的特性。

图 3时域变压器 CMRR 测试结果表明，在 100 kHz 的测试频率下，变压器 #1 产生的共模噪声低于变压器 #2。

或者，您可以使用频率响应分析仪 (FRA) 执行相同的测试，以在整个感兴趣的频率范围内扫描注入信号的频率。图 4显示了相同的两个变压器在 100 kHz 至 30 MHz 的宽频率范围内的 FRA 测量结果。请注意，增益在 100 kHz 至 4 MHz 左右的宽范围内非常平坦。 100 kHz 的增益与函数发生器测试密切相关，表明 100 kHz 的函数发生器测试足以表征该频段内的这些变压器。在高于几兆赫兹的频率下，您应该在感兴趣的频率下测量这些变压器的 CMRR。

图 4使用 FRA 在 100 kHz 至 4 MHz 的宽频率范围内对变压器 #1 和 #2 进行频域变压器 CMRR 测试结果。

图 5显示了将这两个变压器焊接到开关电源转换器 PCB 上的结果，根据国际无线电扰动特殊委员会 (CISPR) 32 B 级限制测量传导 EMI。上限线对应于准峰值测量，下限线对应于平均值测量。正如预期的那样，变压器 #2 的 EMI 结果比变压器 #1 差。事实上，变压器 #1 通过了相当大的余量，而变压器 #2 几乎没有失败。

图 5变压器的传导 EMI 测试结果，其中变压器 #1 通过了裕量，而变压器 #2 几乎没有失败。

有趣的是，本例中的两个变压器具有相同的绕组结构和构造。 CMRR 的差异完全归因于制造过程的变化，这表明 EMI 对变压器结构的敏感程度。诸如变压器内单股电线的精确放置或绝缘层的厚度之类的微小变化可能会产生深远的影响。

对于变压器结构的示例，很明显，您不能确信生产中的所有设备都将通过 CISPR 32 传导 EMI 限制。一种解决方案是增加电路中的 EMI 滤波以提供更多余量。另一种选择是使用函数发生器测试来筛选生产过程中的每个变压器样品。该测试与通常用于测试和筛选变压器绕组之间匝数比的测试类型非常相似，因此不需要特殊设备。在示例中，只有通过 CMRR 小于 –38 dB 的变压器，所有单元在组装到电源转换器系统中时才很有可能通过 EMI。

变压器对EMI的影响

调试 EMI 问题充满了许多障碍和困难。本强力提示中描述的简单测量技术可以为您在焊接台和实验室中节省大量时间并减少挫败感。对于您的下一个隔离电源设计，在将电源变压器焊接到电路板之前，请花几分钟测量它们的 CMRR，然后将 CMRR 与产生的 EMI 进行比较。您将更好地了解变压器对 EMI 的影响，以及什么级别的变压器 CMRR 可以通过系统中的 EMI。