信号注入变压器

信号注入变压器
Steven M. Sandler, Managing Director, .com
Charles E. Hymowitz, Managing Director, AEi Systems

信号注入变压器(Signal Injection Transformer)是连接在网路分析仪及电压转换器或稳压器之间的一种特殊变压器。它将扰动讯号注入控制回路并经由网路分析仪或频率响应分析仪来量测控制回路的频率响应。使用此一变压器注入扰动讯号, 对控制回路增益相位(phase-gain)的频率响应进行量测, 可以把对整个回路原本的电特性影响降至低。

图1为稳压器稳定性测试的实验电路图。网路分析仪输出微小振幅及变动频率的扰动讯号，该讯号通过信号注入变压器(Signal Injection Transformer)後，注入稳压电路控制回路中R1之两端的。R1通称为注入电阻(Injection Resistor)。它有效的断开稳压器的控制回路，让网路分析仪或频率响应分析仪的两个量测端口(CH1&CH2)能够比较并产生回路的振幅与相位，例如Vout/Vin。经由信号注入变压器(Signal Injection Transformer)，电路的响应可由连接在R1的两端的CH1与CH2观测。无失真的讯号与电平转换，以及适当的电路设置与连接都是获取正确量测结果的关键。
在网路上搜寻，就会发现没有多少有关信号注入变压器(Signal Injection Transformer)的文章。大多发表的文章都在讨论为何不需要昂贵的变压器。显然大部分文章包括许多稳压器及其他电源IC制造商提供的文件都不正确。

图1: 测量稳压器波德图的实验电路意示图，变压器连接至网路分析仪。

对信号注入变压器(Signal Injection Transformer)的了解不完整，会导致错误的测试结果或是造成设备损坏。在这篇文章里，我们将探讨** injection变压器的特之处，为何audio或video变压器在许多应用中，并不适合作为信号注入变压器(Signal Injection Transformer)的替代方案，以及为何信号注入变压器(Signal Injection Transformer)不适合用於测量电源纹波抑制比(PSRR)，或其他会让DC电流流过变压器的应用。
基本的变压器理论
在磁性物质磁的磁滞回线(BH loop)图上我们能观察到与变压器阻抗的关系，如果纵轴为磁导率与电流的乘积，也是电压对时间的积分，那麽垂直线表示非常高的阻抗而水平线则为短路。高磁导率材料有着近乎垂直的磁滞回线(BH loop)，而低磁导率核芯则较偏斜线型的磁滞回线(BH loop)，也就是有较低的阻抗。


三种频率范围，低、中、高
如果垂直线为高阻抗，在频域则表示为高电感，较低的-3dB频率点出现在变压器的电感相等於并联电阻或injector终端电阻的地方。因此在非常低频时，我们需要较高电感。这也清楚说明，injection电阻越低，在给定的操作频率时所需要的电感也越低。


图2:  5欧姆(虚线)与50欧姆(实线)终端的injection变压器，显示终端电阻对变压器频率响应的影响(使用Omicron Labs Bode-100绘制)
讯号强度在频率响应上的影响
当一个讯号够强时，磁滞回线(BH loop)会进入非线性的区域，减低磁导率并影响频率响应（图3），
这发生在当磁滞回线(BH loop)开始弯曲时，且此现像在使用高磁导率材料会比低磁导率材料还显着。



图3: -10dBm(虚线)与+5dBm(实线)讯号输入injection变压器，显示振幅达到BH回圈曲线的影响。

为何这不仅影响频率响应
较大的讯号或DC电流会降低变压器的表观电感(apparent inductance)，提升了在低频的-3dB点，观察示波器上的波形可以看到不同的偏置电流对信号注入变压器(Signal Injection Transformer)输出波形的影响(图4)
图4: 变压器讯号，100Hz正弦波在各种不同直流偏置电流条件下的响应。由左到右为0A、 5mA、7.5mA、 -7.5mA与15mA。所有图示缩放比例相同。

波形中较大的谐波部分会轻易地造成分析仪输入端的数位/类比转换器(A/D converter)过载，而造成错误的结果。+7.5mA与-7.5mA的偏置条件显示变压器饱和时对输出波形垂直称性的影响，其一在磁滞回线(BH loop)*饱和，另一个则在磁滞回线(BH loop)的底部饱和。

在有偏置电流及无偏置电流的条件下, 以网路分析仪量来测量信号注入变压器(Signal Injection Transformer)，可以观察到表观阻抗(apparent impedance)的变化。以下测量显示表观电感(apparent inductance)于15mA 直流偏置条件下降低了约40dB。

直流偏置电流对变压器也可能会造成设备的损坏(图5)，过久或过高的DC电流会造成线圈核芯*磁化，导致变压器*偏置而无法使用。如同在前面的测量中所见，饱和的变压器一次侧阻抗会变得非常接近变压器线圈的DCR。当连接到脉冲产生器，脉冲产生器内部有50欧姆电阻能作保护。但做电源纹波抑制比(PSRR)量测，连接到高功率放大器时，并无这样的保护。饱和的线圈对放大器形同短路，此时电流只受限于DC电流或变压器及放大器内部的限制电流。


图5:变压器在0mA(虚线)与15mA(实线)DC偏置电流下的主电感

留意应用文件的错误
认为变压器与稳定性测量无关是很常见的错误，由于量测时是在变压器二次线圈的两端撷取讯号，所以认为变压器本身对量测并没有显着的影响。在 National Semiconductors AN-1889 “How to Measure the Loop Transfer Function of Power Supplies”中，他们建议使用60Hz AC电源变压器。使用这样的变压器似乎是很有问题的，而其结果也几乎肯定会是错误的。
制造商有时会误导我们，如以上这个例子，建议使用60Hz电源变压器作为信号注入变压器(Signal Injection Transformer)，应用文件中又建议将变压器输出/入导线对绞以降低电感，但却忘了这种变压器的漏电感(Leakage inductance)有多大。另外应用文件告诉我们变压器与量测无关，这说法并不正确。在图6中使用LM317T稳压器做测试，其中之一使用比60Hz AC变压器还更好的audio变压器(实线)，另一个则使用 J2100A injection变压器(虚线)，注意到即使在低频的结果也有显着的不同。


图6是使用两种不同injection变压器所产生量测结果的比较表；虚线：J2100A、实线：audio变压器；设置如图 1，LM317 25mA 3.3Vout 5.8Vin 无输出电容。

一般电源电路测量要求其频率从1Hz(如PFC电路)到几MHz, 而典型的LDO所需量测频率更高。 injection变压器是电源稳定性量测不可或缺的部分，若使用较便宜的变压器通常会导致错误的结果。

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