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淺析:閉環DC-DC轉換器網絡分析中的注入變壓器

淺析:閉環DC-DC轉換器網絡分析中的注入變壓器
工程實驗室通常配備有網絡分析儀,但很少配備用于DC-DC轉換器閉環分析的注入變壓器。Agilent公司出售這種變壓器,作為測試設備配件,但是價格昂貴。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,但是價格也很昂貴。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,獲得一個更具成本效益的注入變壓器。

  設計變壓器時,*難的參數是帶寬。一方面,低頻性能需要更大的磁芯和更多的匝數,這樣會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。 幸好,電流變壓器適合大多數應用場合。例如,Pulse Engineering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。

  磁芯上有一個通孔,用戶可以用標準導線自己繞制任意匝數的次級線圈。這條線同時也作為待測電路的一條連接線,并能根據次級線圈的匝數提供一定的驅動電平。 由于構建的是電壓變壓器,因此需要控制初級電壓。假使變壓器的初級電抗比網絡分析儀源電抗高,則給初級并聯一個50電阻,就可正確地端接網絡分析儀的信號源。低頻情況下,初級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的初級電感為20mH,變壓器可以工作的*低頻率應滿足: Xl=2*3.1416*Freq*Lprim。

  對上式變形可以得到:Freq = 25/(6.28*20mH) = 200Hz 200Hz的低頻截止頻率適用于小信號,但是如果電壓較大,超過了磁芯的伏秒積指標,則會導致磁芯飽和。PE-51687的初級伏秒積指標為600V*ms (600ms,1V)。因此,驅動電壓也會限制低端頻率響應。

  高頻響應受限于初級線圈中的電容。例如,PE-51687的高頻響應可達5MHz,并在超出該頻率時出現一個峰。注意到這個峰幅度很高(+15dB),但在次級并聯22電阻可使其大幅度降低。多數情況下,通過限制網絡分析儀的掃頻上限可避開這個峰。

  在用注入變壓器測試閉環系統時,必須在某個點斷開環路。這個點對于網絡分析儀的A端口(圖3)必須有很低的反射阻抗,而對于R端口的反射阻抗必須高。這一點很重要,因為,如果超過交叉點后的閉環增益遠小于一的話,變壓器注入的信號大部分將會出現在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,十分之一的信號將會出現在A端口上。

  其余是分之九將出現在R端口,與真正的環路響應無關。這種情況下,需要用緩沖器(例如FET探頭)來提高網絡分析儀的輸入阻抗,使之大于其固有的50。 很多情況下,環路增益測試允許網絡分析儀有50的負載,多數電源的輸出阻抗遠低于50,因此,A端口上的負載問題不是很嚴重。但要小心不要過驅動網絡分析儀的50輸入。多數分析儀限制*大輸入為5VRMS,若電壓過大將會損壞分析儀,隨之而來的修理費用十分昂貴。FET探頭有-20dB的衰減,允許大多數分析儀無需使用隔直電容器即可測量高達50V電壓。 試驗裝置配置完成之后,應確定適當的注入信號電平。

  對于網絡分析儀而言,較高的信號電平有利于降低背景噪聲的影響,但電源對于大幅度的注入信號的響應可能是非線性的。在這種情況下,擺動速率、電流限制或限幅等因素可能會影響電路的行為。因此,建議使用比輸出紋波稍大一些的信號。 PE-51687的匝數比為100:8,很容易提供幅度超過大多數輸出紋波的信號。對于0dBm (224mVRMS)輸入,變壓器輸出為18mVRMS (50mVP-P)――非常合適的測試電平。網絡分析儀的輸出信號源可以調整注入電平。如果調解范圍不夠,還可以通過增加或減少次級匝數來調整驅動電平。

  低頻工作時,Pulse Engineering公司的PE-51688具有200匝初級繞組,初級電感為80mH,可用信號頻率低至50Hz。它的伏秒積指標為1200V*μs。對于高頻應用,*好選擇50匝的PE-51686。對于更高頻率(高達100MHz),可使用Rogowski線圈。

  這種高帶寬電流變壓器的初級線圈每匝繞組上都并聯了內部電阻,并且初級線圈和磁芯周圍有Faraday屏蔽。 并聯電阻乘以匝數得到非常接近理想的50阻值,每匝線圈上并聯一個電阻這樣使阻尼功能分布在整個變壓器內。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。

  電流感應變壓器用作信號注入的主要局限在于其較差的低頻性能。大多數Bode圖在50Hz以下變得非常嘈雜,并且經常超過80dB,它會延伸多數網絡分析儀上的噪聲極限。不過,多數DC-DC系統在50Hz以下工作得很好,并不需要分析。如果必須測量低頻,就必須采用一個更大磁芯或更多線圈的變壓器。這樣一來會增大變壓器的外形尺寸,不利于測試。還可以采用降低頻率上限的方法:如今大多數系統的交叉頻率遠高于10kHz,非常適合PE-51687電流變壓器。

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