用于閉環(huán)DC-DC轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)分析的注入變壓器

將電流互感器作為電壓互感器運行，為作為測試附件出售的注入變壓器提供了一種經(jīng)濟高效的替代方案。

工程實驗室通常有一個網(wǎng)絡(luò)分析儀，但很少有包括用于DC-DC轉(zhuǎn)換器閉環(huán)分析的注入變壓器。安捷倫將此類變壓器作為測試設(shè)備配件出售，但價格昂貴。Ridley Engineering和venable也銷售注入變壓器。非處方注入變壓器具有令人印象深刻的規(guī)格，但它們的價格也很高。請記住，它們只是變形金剛。作為替代方案，您可以通過將電流互感器作為電壓互感器來獲得具有成本效益的注入變壓器。

寬帶寬是設(shè)計變壓器時最難實現(xiàn)的參數(shù)。一方面，低頻性能需要更大的磁芯和更多的匝數(shù)，這增加了變壓器的物理尺寸。另一方面，高頻性能需要良好的耦合、小尺寸和最小匝數(shù)。

幸運的是，電流互感器對于大多數(shù)應(yīng)用都是可以接受的。例如，脈沖工程公司的PE-51687在鐵氧體磁芯上有一個100匝的初級繞組，沒有次級繞組。穿過芯線的孔可讓您使用絞合線自定義纏繞任意數(shù)量的次級匝數(shù)。導(dǎo)線用作被測電路的連接，并根據(jù)次級匝數(shù)提供驅(qū)動電平。

因為我們正在構(gòu)建電壓互感器，所以我們需要控制初級電壓。假設(shè)變壓器的初級電抗高于源的電抗，將50Ω電阻與初級并聯(lián)可以正確端接網(wǎng)絡(luò)分析儀源。對于低頻， 初級的感抗必須高于變壓器看到的戴維寧等效值（25Ω）。由于PE-51687的初級電感為20mH，因此變壓器工作的最低頻率為：Xl = 2×3.1416×頻率×Lprim。

重新排列，頻率 = 25/（6.28 × 20mH） = 200Hz。

200Hz的低頻截止電壓適用于小信號，但較大的電壓會通過超過磁芯的伏秒額定值來誘發(fā)磁芯飽和。PE-51687 主器件指定 600V × ms（1V 表示 600ms）。因此，驅(qū)動電壓電平也會限制低端頻率響應(yīng)。

高頻響應(yīng)受初級電容的限制。例如，PE-51687 響應(yīng)可用于 5MHz，并且峰值超過該頻率（圖 1）。請注意，峰值非常大（+15dB），但與次級并聯(lián)的22Ω電阻會降低（圖2）。在大多數(shù)情況下，可以通過限制網(wǎng)絡(luò)分析儀的上限掃描頻率來避免峰值。

圖1.PE-51687變壓器的頻率響應(yīng)，具有8匝次級。

圖2.PE-51687變壓器的頻率響應(yīng)，次級電阻為22Ω。

圖1和圖2（以及后來的圖5）的網(wǎng)絡(luò)圖由0dBm的網(wǎng)絡(luò)分析儀源驅(qū)動，分析儀的50Ω輸入由X10 （-20dB）FET探頭緩沖，如圖3的測試設(shè)置所示。本測試中的變壓器有八匝特氟龍絕緣 24-AWG 電線。（特氟龍對于電路連接很有用，因為絕緣層可以承受焊接溫度，但任何電線都是可以接受的。匝數(shù)比為100：8時，變壓器的插入損耗為-21.9dB。因此，測量值（-42dBm）包括FET探頭損耗。

圖3.用于環(huán)路增益測量的注入變壓器設(shè)置。

要測試帶有注入變壓器的閉環(huán)系統(tǒng)，必須在某個時候斷開回路。此時，網(wǎng)絡(luò)分析儀A端口（圖3）的反射阻抗應(yīng)該很低，R端口上的反射阻抗應(yīng)該很高。這些條件很重要，因為如果超過交越的閉環(huán)增益遠小于<>，則變壓器注入的大部分信號將顯示在R端口上。

例如，如果R端口上反射的阻抗僅比A端口上反射的阻抗高九倍，則A端口上將僅顯示十分之一的信號。十分之九將出現(xiàn)在 R 端口上，與真正的環(huán)路響應(yīng)無關(guān)。這種情況需要一個阻抗緩沖器（即FET探頭）將網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入阻抗提高到其固有的50Ω電平以上。

在某些情況下，環(huán)路增益測試可以承受來自網(wǎng)絡(luò)分析儀的50Ω負載，但許多電源的輸出阻抗遠低于50Ω，因此A端口上的負載不是問題。注意不要過驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)分析儀的50Ω輸入。大多數(shù)分析儀將輸入限制為5V有效值，維修費用可能很昂貴。衰減為-20dB的FET探頭允許大多數(shù)分析儀測量高達50V的電壓，而無需使用阻斷電容。

配置測試設(shè)置后，確定信號注入的正確電平。網(wǎng)絡(luò)分析儀更喜歡高于本底噪聲的更高信號電平，但電源在響應(yīng)大注入信號時可能不會線性運行。在這種情況下，壓擺率、電流限制或削波可能決定電路行為。因此，建議使用略大于輸出紋波的信號。

PE-51687 的 100：8 匝數(shù)比可輕松提供大于大多數(shù)輸出紋波電壓的信號。對于 0dBm （224 mV有效值）輸入，變壓器輸出為18mV有效值（50mVp-p） - 良好的初始測試級別。網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出源可以調(diào)整注入水平。如果該布置不能提供足夠的范圍，您還可以通過增加或減少輔助匝數(shù)來調(diào)整驅(qū)動電平。

對于低頻工作，脈沖工程公司的PE-51688提供具有200mH初級電感的80匝初級，可提供低至50Hz的有用信號。其伏秒額定值為 1200V × μs。對于更高的頻率，50 圈 PE-51686 是一個不錯的選擇。對于非常高的頻率（高達100MHz），請使用羅氏線圈。這些高帶寬電流互感器具有內(nèi)部電阻器，用于分流初級繞組上的每個繞組，并在初級和磁芯周圍具有法拉第屏蔽。

分流電阻值乘以匝數(shù)產(chǎn)生近乎完美的50VValue，每個繞組上的電阻器將阻尼功能分配到整個變壓器。雖然價格昂貴，但這種變壓器幾乎無振鈴，并且可以輕松提供 100MHz 的信號（圖 4）。圖5的網(wǎng)絡(luò)圖顯示了一臺帶單匝次級的50：1（1V/A）變壓器，可從Pearson Electronics或Stangenes Industries Inc.獲得。

圖4.羅戈夫斯基電流互感器。

圖5.1V/A、50：1 羅氏線圈的頻率響應(yīng)，帶單圈次級。

使用電流檢測變壓器進行信號注入的主要缺點是它們在低頻下的性能較差。大多數(shù)波特圖在50Hz以下噪聲較大，通常超過80dB，這超出了大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析儀的本底噪聲限制。但是，大多數(shù)DC-DC系統(tǒng)在50Hz以下表現(xiàn)良好，不需要分析。如果需要低頻測量，則必須使用具有更大磁芯、更多匝數(shù)或兩者兼而有之的變壓器。這些變化增加了變壓器的物理尺寸，這在測試階段可能是一個缺點。您還可以降低頻率上限：當(dāng)今大多數(shù)系統(tǒng)的交越頻率遠高于10kHz，這是PE-51687電流互感器的理想選擇。

審核編輯：郭婷