高頻共模電流、電壓和阻抗的測(cè)量（下）

概述

本文是采用反激式變換器測(cè)量高頻、共模 (CM) 電流、電壓和阻抗的系列文章之下篇。在本系列的三篇文章中， 上篇 介紹了輻射 EMI 的基本原理以及在反激式變換器拓?fù)渲袦y(cè)量 CM 電流的傳統(tǒng)方法；中篇 介紹了解決CM 電流測(cè)量誤差的鐵氧體磁珠解決方案，以及如何測(cè)量 CM 阻抗；下篇將討論開(kāi)關(guān)噪聲源效應(yīng)，同時(shí)測(cè)量等效電壓源，并驗(yàn)證提出的測(cè)量方法。

開(kāi)關(guān)噪聲源效應(yīng)

根據(jù)中篇介紹的 CM 阻抗測(cè)量方法，可以同理測(cè)量副邊開(kāi)關(guān)噪聲源的影響。對(duì)降壓反激式變換器而言，原邊開(kāi)關(guān)電壓的幅度較大，這意味著原邊的影響將明顯大于副邊。因此，我們?cè)谏掀袆?chuàng)建的輻射模型主要依賴(lài)于原邊噪聲源的影響。

圖 1 對(duì)原邊和副邊電壓源（分別為 VPRI 和 VSEC)產(chǎn)生的 CM 噪聲進(jìn)行了比較。

圖 1：原邊與副邊電壓源效應(yīng)比較

由于 VPRI 對(duì) CM 噪聲的影響更大，因此可應(yīng)用中篇介紹的輻射模型值，同時(shí)忽略 VSEC 源。

通過(guò)移除變壓器并根據(jù) CM 模型測(cè)量原邊與副邊之間的阻抗，可以得到CM 路徑上的天線(xiàn)阻抗和其他阻抗。圖 2 顯示了這種阻抗測(cè)量方法。

圖 2：原邊與副邊之間的阻抗測(cè)量方法

測(cè)量阻抗時(shí)，建議在傳輸線(xiàn)上添加一個(gè)鐵氧體磁珠，以避免近場(chǎng)耦合的干擾。不過(guò)，在變換器不工作時(shí)，耦合的影響并不顯著。

圖 3 對(duì) ZCMTRANS 集裝箱運(yùn)輸 和 Z內(nèi)銅銅茲納坦納之間的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。這些阻抗在 30MHz 和 100MHz 之間基本上為容性。另外，變壓器在高頻下的阻抗小于其他 CM 和天線(xiàn)阻抗之和。為有效降低輻射，建議在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)降低等效噪聲源。這種方法比增加變壓器原邊與副邊之間的阻抗更有效。

圖 3：阻抗比較

反激式變換器中的 CM 噪聲電壓測(cè)量

對(duì)于反激式變換器，原邊與副邊之間的等效電壓源是輸入和輸出線(xiàn)之間 CM 噪聲的主要來(lái)源。 但是，用示波器的電壓探頭直接測(cè)量等效電壓源是不可行的，這主要基于以下幾個(gè)原因：

示波器的分辨率有限

當(dāng)高頻與大振幅（例如數(shù)百伏）同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，探頭的帶寬可能會(huì)降低，這將使高頻信號(hào)的測(cè)量變得更加復(fù)雜

因此，在直接測(cè)量 CM 噪聲時(shí)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)在毫伏范圍內(nèi)（高達(dá)數(shù)百毫伏）時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)較大的相對(duì)誤差。

為計(jì)算原邊與副邊之間的等效電壓源， 必須在示波器前端安裝一個(gè)高通濾波器以濾除工頻分量。

測(cè)量設(shè)備也必須滿(mǎn)足以下三個(gè)條件，才能獲得準(zhǔn)確的結(jié)果：

測(cè)量電路的輸入阻抗必須大于變壓器的CM阻抗或天線(xiàn)阻抗

高通濾波器的截止頻率應(yīng)在幾MHz以?xún)?nèi)（測(cè)量30MHz以上的頻率時(shí)）

? 測(cè)量電路的輸出阻抗應(yīng)明顯低于示波器的輸入阻抗

圖 4 所示為建議的測(cè)試裝置。其中，電壓探頭連接到原邊與副邊的地，用以測(cè)量?jī)蛇叺膲翰?(V國(guó) 子) ；然后通過(guò)高通濾波器再連接至示波器。每條測(cè)試線(xiàn)上均放置鐵氧體磁珠以減少干擾。

圖 4：通過(guò)添加濾波器改善的高頻電壓測(cè)量電路

為了使測(cè)得的噪聲電壓 (V’國(guó) 子) 值更接近噪聲電壓源 (VCM)，可以在輸入和輸出線(xiàn)上均添加幾個(gè)鐵氧體磁珠，以最大限度地減少變壓器的 CM 阻抗和噪聲源之間的分壓（ 參見(jiàn)圖 5）。

圖 5：使用鐵氧體磁珠改善的高頻電壓測(cè)量方法

圖 6 對(duì)采用和不采用高通濾波器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。沒(méi)有高通濾波器時(shí)，高頻電壓測(cè)量會(huì)被噪聲淹沒(méi)；有高通濾波器時(shí)則可以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。

圖 6：采用和不采用高通濾波器時(shí)的 CM 電壓測(cè)量結(jié)果比較

通過(guò)測(cè)得的 CM 電壓以及在中篇中獲得的 CM 阻抗，就可以預(yù)測(cè)變換器的 CM 電流，這也同時(shí)驗(yàn)證了 CM 電流測(cè)試方法。

圖 7 在同軸線(xiàn)和輸入線(xiàn)添加或不添加鐵氧體磁珠的情況下，對(duì)CM 電流測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較；同時(shí)顯示出預(yù)測(cè)的 CM 電流?？梢钥闯?，添加鐵氧體磁珠后，CM 電流測(cè)試結(jié)果遵循預(yù)測(cè)結(jié)果。這進(jìn)一步證實(shí)了這些高頻參數(shù)測(cè)試方法的準(zhǔn)確性。

圖 7：添加或不添加測(cè)試同軸線(xiàn)和輸入線(xiàn)鐵氧體磁珠的 CM 電流測(cè)量比較

結(jié)語(yǔ)

在本系列的三篇文章中，我們深入探討了反激式變換器拓?fù)渲械母哳l、CM 電流、電壓和阻抗測(cè)量問(wèn)題。通過(guò)回顧輻射 EMI 的基本原理并了解測(cè)量誤差的來(lái)源，我們成功得到了反激式變換器中的 CM 阻抗和 CM 噪聲電壓?？偠灾?，準(zhǔn)確進(jìn)行輻射 EMI 分析可以預(yù)防測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)（包括電壓、電流和阻抗）時(shí)出現(xiàn)常見(jiàn)的錯(cuò)誤。

如需進(jìn)一步了解與 CM 噪聲相關(guān)的 EMI 問(wèn)題建模與分析，請(qǐng)單擊 此處 參考汽車(chē)電子設(shè)備中的 EMI 產(chǎn)生、傳播與抑制。

審核編輯：湯梓紅