在隔離式開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器中，電源變壓器通常是共模噪聲的主要來源。為什么？因?yàn)樵谧儔浩鲀?nèi)部，處于隔離屏障兩側(cè)的原邊繞組與副邊繞組間距極小（通常不足 1 毫米），這使得相鄰繞組間產(chǎn)生了明顯的寄生電容。

這些繞組上所呈現(xiàn)的電壓，往往包含比較高的交流分量。以 圖 1 中的反激式轉(zhuǎn)換器為例，原邊繞組連接至原邊開關(guān)的漏極，此漏極的電壓波形在多個(gè)頻段呈現(xiàn)高交流分量。該交流電壓會(huì)借助寄生電容，從原邊向副邊注入共模電流，而這恰恰是眾多電磁干擾 (EMI) 問題的主要成因。

幸運(yùn)的是，諸如屏蔽技術(shù)和共模平衡等變壓器設(shè)計(jì)策略，能夠最大程度削弱變壓器對(duì)電磁干擾 (EMI) 的負(fù)面影響，相關(guān)探討已收錄于德州儀器電源設(shè)計(jì)研討會(huì)論文《兼顧效率提升與電磁干擾抑制的反激式變壓器設(shè)計(jì)要點(diǎn)》（“Flyback Transformer Design Considerations for Efficiency and EMI”）中。然而，要精準(zhǔn)評(píng)估變壓器對(duì)電磁干擾的具體影響程度，并據(jù)此優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通常既具挑戰(zhàn)性又耗時(shí)冗長(zhǎng)。針對(duì)每一個(gè)待測(cè)試的變壓器設(shè)計(jì)方案，都必須先將變壓器焊接至印刷電路板 (PCB)，再將電源轉(zhuǎn)換器放入電磁干擾 (EMI) 測(cè)試夾具內(nèi)進(jìn)行掃描測(cè)試。若測(cè)試結(jié)果顯示變壓器的電磁干擾性能未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，則還需將其從印刷電路板 (PCB) 上拆下，并重試。

在本期電源設(shè)計(jì)小貼士中，我將分享一種極為便捷的方法，讓您在將變壓器焊接至電路板之前，就能預(yù)先檢測(cè)其電磁干擾 (EMI) 性能。

僅需一臺(tái)函數(shù)發(fā)生器和一臺(tái)示波器，即可模擬變壓器在電路中的實(shí)際工作條件，并測(cè)量其共模電磁干擾 (EMI) 特性。圖 2 的圖中展示了針對(duì) 圖 1 中變壓器進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)量的具體配置方法。注意：此變壓器原邊配置有兩個(gè)繞組（分別為 W_P 和 W_AUX），副邊配置有一個(gè)繞組（W_S）。

首先，用一小段導(dǎo)線將原邊的交流靜點(diǎn) (AC quiet node) 相互連接。這里的交流靜點(diǎn)指電路中直接或通過電容連接到原邊接地的變壓器引腳。在本例中，引腳 2 和引腳 3 均為隔離屏原邊障側(cè)的交流靜點(diǎn)。如果變壓器副邊配有多個(gè)繞組，也需將所有副邊靜點(diǎn)連接在一起，但務(wù)必注意，切不可將其與原邊靜點(diǎn)相連。

隨后，借助函數(shù)發(fā)生器，在變壓器原邊繞組上施加一個(gè)小幅正弦波信號(hào)。這一操作能夠模擬原邊繞組電壓，但此時(shí)是在單一頻率下，采用安全且低電壓的方式進(jìn)行測(cè)試。信號(hào)幅度的大小在此并不關(guān)鍵，因?yàn)樽儔浩鞯募纳娙菰诤艽蟪潭壬喜⒉皇茈妷悍鹊挠绊憽?/p>

最后，利用示波器的一個(gè)通道，對(duì)函數(shù)發(fā)生器注入的電壓進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)，使用另一個(gè)通道，測(cè)量原邊與副邊交流靜點(diǎn)之間所感應(yīng)產(chǎn)生的電壓。這兩個(gè)信號(hào)的比值，本質(zhì)上就是共模抑制比 (CMRR)，能夠直觀反映出在該頻率下，電源變壓器對(duì)共模噪聲的貢獻(xiàn)程度。

圖 3 展示了在 100 kHz 特定頻率下，針對(duì)兩款不同變壓器進(jìn)行該測(cè)試所得到的結(jié)果。1 號(hào)變壓器采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其共模抑制比 (CMRR) 達(dá)到了 -39.6dB；相比之下，2 號(hào)變壓器的共模抑制比數(shù)值更高，為 -31.4dB。這表明 1 號(hào)變壓器產(chǎn)生的共模噪聲比 2 號(hào)變壓器小。借助函數(shù)發(fā)生器，可以深入探究變壓器在不同頻率下呈現(xiàn)出的特性表現(xiàn)。

此外，也可使用頻率響應(yīng)分析儀 (FRA) 進(jìn)行同樣的測(cè)試，通過掃描注入信號(hào)的頻率，全面覆蓋整個(gè)感興趣的頻段范圍。圖 4 呈現(xiàn)了這兩款變壓器在 100kHz 至 30MHz 寬頻范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)分析儀 (FRA) 測(cè)量數(shù)據(jù)。注意，在 100kHz 至約 4MHz 的寬頻區(qū)間內(nèi)，增益十分平穩(wěn)。100kHz 處的增益與函數(shù)發(fā)生器測(cè)試結(jié)果高度相符，說明在 100kHz 下開展的函數(shù)發(fā)生器測(cè)試，足以準(zhǔn)確表征這兩款變壓器在該頻段內(nèi)的特性。當(dāng)頻率高于幾兆赫茲時(shí)，您應(yīng)在感興趣的特定頻率點(diǎn)測(cè)量這些變壓器的共模抑制比 (CMRR)。

圖 5 展示了將兩款變壓器焊接至開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器印刷電路板 (PCB) 后，依據(jù)國(guó)際無線電干擾特別委員會(huì) (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques, CISPR) 32 B 類限值標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)得的傳導(dǎo)電磁干擾 (EMI) 特性。其中，上限線代表準(zhǔn)峰值測(cè)量結(jié)果，下限線代表平均值測(cè)量結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明，2 號(hào)變壓器的電磁干擾 (EMI) 結(jié)果比 1 號(hào)變壓器差，符合預(yù)期。實(shí)際上，1 號(hào)變壓器以較大裕量通過測(cè)試，而 2 號(hào)變壓器以微小差距未通過測(cè)試。

有趣的是，本案例涉及的兩款變壓器在繞組結(jié)構(gòu)與制造工藝上完全一致。共模抑制比 (CMRR) 的差異，完全歸因于制造過程中微小工藝參數(shù)的波動(dòng)，表明電磁干擾 (EMI) 性能對(duì)變壓器制造細(xì)節(jié)具有高度敏感性。即便是細(xì)微差異（例如變壓器內(nèi)部單根導(dǎo)線的精確布放位置或絕緣層厚度的細(xì)微變化）也可能產(chǎn)生顯著影響。

就本例的變壓器制造實(shí)踐而言，顯然無法保證所有量產(chǎn)產(chǎn)品均穩(wěn)定通過 CISPR 32 傳導(dǎo)電磁干擾 (EMI) 限值測(cè)試。為解決這一問題，一個(gè)辦法是在電路中增強(qiáng)電磁干擾 (EMI) 濾波，以提升裕量。還有一個(gè)辦法是在生產(chǎn)過程中，利用函數(shù)發(fā)生器對(duì)每臺(tái)變壓器樣品進(jìn)行逐一篩選測(cè)試。該篩選測(cè)試方法與變壓器繞組匝數(shù)比的常規(guī)篩選測(cè)試方法高度相似，因此無需額外配置專用測(cè)試設(shè)備。在本例中，只有通過篩選測(cè)試且共模抑制比 (CMRR) 低于 -38dB 的變壓器可確保其組裝為電源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)后，所有產(chǎn)品均具備高概率通過電磁干擾 (EMI) 測(cè)試的可靠性。

變壓器對(duì)電磁干擾 (EMI) 的影響

調(diào)試電磁干擾 (EMI) 問題時(shí)，常面臨諸多阻礙與挑戰(zhàn)。使用本期電源設(shè)計(jì)小貼士中介紹的簡(jiǎn)易測(cè)量方案可顯著縮短您在焊接調(diào)試與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中的用時(shí)，緩解調(diào)試過程中的挫敗情緒。建議在開展下一款隔離電源設(shè)計(jì)時(shí)，先對(duì)電源變壓器的共模抑制比 (CMRR) 進(jìn)行快速測(cè)量，完成后再將其焊接至電路板，最后將實(shí)測(cè) CMRR 數(shù)據(jù)與電磁干擾 (EMI) 測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。這樣做，您可以更透徹地掌握變壓器對(duì)電磁干擾的影響，并了解在您的系統(tǒng)中，變壓器需達(dá)到何種 CMRR 性能指標(biāo)才能確保通過電磁干擾 (EMI) 測(cè)試。

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