淺析:閉環(huán)DC-DC轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)分析中的注入變壓器
工程實(shí)驗(yàn)室通常配備有網(wǎng)絡(luò)分析儀,但很少配備用于DC-DC轉(zhuǎn)換器閉環(huán)分析的注入變壓器。Agilent公司出售這種變壓器,作為測(cè)試設(shè)備配件,但是價(jià)格昂貴。Ridley Engineering和Venable公司也出售注入變壓器。這種注入變壓器具有出色的性能指標(biāo),但是價(jià)格也很昂貴。注意,它們的作用僅僅是變壓器。作為另外一種替代方案,你也可以將電流變壓器作為電壓變壓器使用,獲得一個(gè)更具成本效益的注入變壓器。 設(shè)計(jì)變壓器時(shí),*難的參數(shù)是帶寬。一方面,低頻性能需要更大的磁芯和更多的匝數(shù),這樣會(huì)增大變壓器的物理尺寸。另一方面,高頻性能需要良好的耦合、小尺寸和*少的匝數(shù)。 幸好,電流變壓器適合大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。例如,Pulse Engineering公司的PE-51687在鐵氧體磁芯上有一個(gè)100匝的初級(jí)繞組,沒有次級(jí)繞組。
磁芯上有一個(gè)通孔,用戶可以用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線自己繞制任意匝數(shù)的次級(jí)線圈。這條線同時(shí)也作為待測(cè)電路的一條連接線,并能根據(jù)次級(jí)線圈的匝數(shù)提供一定的驅(qū)動(dòng)電平。 由于構(gòu)建的是電壓變壓器,因此需要控制初級(jí)電壓。假使變壓器的初級(jí)電抗比網(wǎng)絡(luò)分析儀源電抗高,則給初級(jí)并聯(lián)一個(gè)50電阻,就可正確地端接網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號(hào)源。低頻情況下,初級(jí)感抗必須大于從變壓器看過去的戴維南(Thevenin)等效阻抗(25)。
PE-51687的初級(jí)電感為20mH,變壓器可以工作的*低頻率應(yīng)滿足: Xl=2*3.1416*Freq*Lprim。
對(duì)上式變形可以得到:Freq = 25/(6.28*20mH) = 200Hz 200Hz的低頻截止頻率適用于小信號(hào),但是如果電壓較大,超過了磁芯的伏秒積指標(biāo),則會(huì)導(dǎo)致磁芯飽和。PE-51687的初級(jí)伏秒積指標(biāo)為600V*ms (600ms,1V)。因此,驅(qū)動(dòng)電壓也會(huì)限制低端頻率響應(yīng)。
高頻響應(yīng)受限于初級(jí)線圈中的電容。例如,PE-51687的高頻響應(yīng)可達(dá)5MHz,并在超出該頻率時(shí)出現(xiàn)一個(gè)峰。注意到這個(gè)峰幅度很高(+15dB),但在次級(jí)并聯(lián)22電阻可使其大幅度降低。多數(shù)情況下,通過限制網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃頻上限可避開這個(gè)峰。
在用注入變壓器測(cè)試閉環(huán)系統(tǒng)時(shí),必須在某個(gè)點(diǎn)斷開環(huán)路。這個(gè)點(diǎn)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)分析儀的A端口(圖3)必須有很低的反射阻抗,而對(duì)于R端口的反射阻抗必須高。這一點(diǎn)很重要,因?yàn)?,如果超過交叉點(diǎn)后的閉環(huán)增益遠(yuǎn)小于一的話,變壓器注入的信號(hào)大部分將會(huì)出現(xiàn)在R端口上。 例如,如果R端反射阻抗僅為A端反射阻抗的9倍,那么,十分之一的信號(hào)將會(huì)出現(xiàn)在A端口上。
其余是分之九將出現(xiàn)在R端口,與真正的環(huán)路響應(yīng)無關(guān)。這種情況下,需要用緩沖器(例如FET探頭)來提高網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入阻抗,使之大于其固有的50。 很多情況下,環(huán)路增益測(cè)試允許網(wǎng)絡(luò)分析儀有50的負(fù)載,多數(shù)電源的輸出阻抗遠(yuǎn)低于50,因此,A端口上的負(fù)載問題不是很嚴(yán)重。但要小心不要過驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀的50輸入。多數(shù)分析儀限制*大輸入為5VRMS,若電壓過大將會(huì)損壞分析儀,隨之而來的修理費(fèi)用十分昂貴。FET探頭有-20dB的衰減,允許大多數(shù)分析儀無需使用隔直電容器即可測(cè)量高達(dá)50V電壓。 試驗(yàn)裝置配置完成之后,應(yīng)確定適當(dāng)?shù)淖⑷胄盘?hào)電平。
對(duì)于網(wǎng)絡(luò)分析儀而言,較高的信號(hào)電平有利于降低背景噪聲的影響,但電源對(duì)于大幅度的注入信號(hào)的響應(yīng)可能是非線性的。在這種情況下,擺動(dòng)速率、電流限制或限幅等因素可能會(huì)影響電路的行為。因此,建議使用比輸出紋波稍大一些的信號(hào)。 PE-51687的匝數(shù)比為100:8,很容易提供幅度超過大多數(shù)輸出紋波的信號(hào)。對(duì)于0dBm (224mVRMS)輸入,變壓器輸出為18mVRMS (50mVP-P)――非常合適的測(cè)試電平。網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出信號(hào)源可以調(diào)整注入電平。如果調(diào)解范圍不夠,還可以通過增加或減少次級(jí)匝數(shù)來調(diào)整驅(qū)動(dòng)電平。
低頻工作時(shí),Pulse Engineering公司的PE-51688具有200匝初級(jí)繞組,初級(jí)電感為80mH,可用信號(hào)頻率低至50Hz。它的伏秒積指標(biāo)為1200V*μs。對(duì)于高頻應(yīng)用,*好選擇50匝的PE-51686。對(duì)于更高頻率(高達(dá)100MHz),可使用Rogowski線圈。
這種高帶寬電流變壓器的初級(jí)線圈每匝繞組上都并聯(lián)了內(nèi)部電阻,并且初級(jí)線圈和磁芯周圍有Faraday屏蔽。 并聯(lián)電阻乘以匝數(shù)得到非常接近理想的50阻值,每匝線圈上并聯(lián)一個(gè)電阻這樣使阻尼功能分布在整個(gè)變壓器內(nèi)。盡管很昂貴,但這種變壓器幾乎是無振鈴的,并且能輕易提供100MHz的信號(hào)。
電流感應(yīng)變壓器用作信號(hào)注入的主要局限在于其較差的低頻性能。大多數(shù)Bode圖在50Hz以下變得非常嘈雜,并且經(jīng)常超過80dB,它會(huì)延伸多數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析儀上的噪聲極限。不過,多數(shù)DC-DC系統(tǒng)在50Hz以下工作得很好,并不需要分析。如果必須測(cè)量低頻,就必須采用一個(gè)更大磁芯或更多線圈的變壓器。這樣一來會(huì)增大變壓器的外形尺寸,不利于測(cè)試。還可以采用降低頻率上限的方法:如今大多數(shù)系統(tǒng)的交叉頻率遠(yuǎn)高于10kHz,非常適合PE-51687電流變壓器。