信號(hào)注入變壓器

信號(hào)注入變壓器(Signal Injection Transformer)是連接在網(wǎng)路分析儀及電壓轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器之間的一種特殊變壓器。它將擾動(dòng)訊號(hào)注入控制迴路并經(jīng)由網(wǎng)路分析儀或頻率響應(yīng)分析儀來(lái)量測(cè)控制迴路的頻率響應(yīng)。使用此一變壓器注入擾動(dòng)訊號(hào), 對(duì)控制迴路增益相位(phase-gain)的頻率響應(yīng)進(jìn)行量測(cè), 可以把對(duì)整個(gè)迴路原本的電特性影響降至Z低。

圖1為穩(wěn)壓器穩(wěn)定性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)電路圖。網(wǎng)路分析儀輸出微小振幅及變動(dòng)頻率的擾動(dòng)訊號(hào)，該訊號(hào)通過(guò)信號(hào)注入變壓器(Signal Injection Transformer)后，注入穩(wěn)壓電路控制迴路中R1之兩端的。R1通稱為注入電阻(Injection Resistor)。它有效的斷開穩(wěn)壓器的控制迴路，讓網(wǎng)路分析儀或頻率響應(yīng)分析儀的兩個(gè)量測(cè)端口(CH1 CH2)能夠比較并產(chǎn)生回路的振幅與相位，例如Vout/Vin。經(jīng)由信號(hào)注入變壓器(Signal Injection Transformer)，電路的響應(yīng)可由連接在R1的兩端的CH1與CH2觀測(cè)。無(wú)失真的訊號(hào)與電平轉(zhuǎn)換，以及適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)置與連接都是獲取正確量測(cè)結(jié)果的關(guān)鍵。
在網(wǎng)路上搜尋，就會(huì)發(fā)現(xiàn)沒(méi)有多少有關(guān)信號(hào)注入變壓器(Signal Injection Transformer)的文章。大多發(fā)表的文章都在討論為何不需要昂貴的變壓器。顯然大部分文章包括許多穩(wěn)壓器及其他電源IC製造商提供的檔都不正確。

圖1: 測(cè)量穩(wěn)壓器波德圖的實(shí)驗(yàn)電路意示圖，變壓器連接至網(wǎng)路分析儀。

對(duì)信號(hào)注入變壓器(Signal Injection Transformer)的了解不完整，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果或是造成設(shè)備損壞。在這篇文章裡，我們將探討signal injection變壓器的獨(dú)特之處，為何audio或video變壓器在許多應(yīng)用中，并不適合作為信號(hào)注入變壓器(Signal Injection Transformer)的替代方案，以及為何信號(hào)注入變壓器(Signal Injection Transformer)不適合用於測(cè)量電源紋波抑制比(PSRR)，或其他會(huì)讓DC電流流過(guò)變壓器的應(yīng)用。
基本的變壓器理論
在磁性物質(zhì)磁的磁滯回線(BH loop)圖上我們能觀察到與變壓器阻抗的關(guān)系，如果縱軸為磁導(dǎo)率與電流的乘積，也是電壓對(duì)時(shí)間的積分，那麼垂直線表示非常高的阻抗而水平線則為短路。高磁導(dǎo)率材料有著近乎垂直的磁滯回線(BH loop)，而低磁導(dǎo)率核芯則較偏斜線型的磁滯回線(BH loop)，也就是有較低的阻抗。

三種頻率范圍，低、中、高
如果垂直線為高阻抗，在頻域則表示為高電感，較低的-3dB頻率點(diǎn)出現(xiàn)在變壓器的電感相等於并聯(lián)電阻或injector終端電阻的地方。因此在非常低頻時(shí)，我們需要較高電感。這也清楚說(shuō)明，injection電阻越低，在給定的操作頻率時(shí)所需要的電感也越低。

圖2:  5歐姆(虛線)與50歐姆(實(shí)線)終端的injection變壓器，顯示終端電阻對(duì)變壓器頻率響應(yīng)的影響(使用Omicron Labs Bode-100繪製)
訊號(hào)強(qiáng)度在頻率響應(yīng)上的影響
當(dāng)一個(gè)訊號(hào)夠強(qiáng)時(shí)，磁滯回線(BH loop)會(huì)進(jìn)入非線性的區(qū)域，減低磁導(dǎo)率并影響頻率響應(yīng)（圖3），
這發(fā)生在當(dāng)磁滯回線(BH loop)開始彎曲時(shí)，且此現(xiàn)像在使用高磁導(dǎo)率材料會(huì)比低磁導(dǎo)率材料還顯著。

圖3: -10dBm(虛線)與+5dBm(實(shí)線)訊號(hào)輸入injection變壓器，顯示振幅達(dá)到BH迴圈曲線的影響。

為何這不僅影響頻率響應(yīng)
較大的訊號(hào)或DC電流會(huì)降低變壓器的表觀電感(apparent inductance)，提升了在低頻的-3dB點(diǎn)，觀察示波器上的波形可以看到不同的偏置電流對(duì)信號(hào)注入變壓器(Signal Injection Transformer)輸出波形的影響(圖4)

圖4: 變壓器訊號(hào)，100Hz正弦波在各種不同直流偏置電流條件下的回應(yīng)。由左到右為0A、 5mA、7.5mA、 -7.5mA與15mA。所有圖示縮放比例相同。

波形中較大的諧波部分會(huì)輕易地造成分析儀輸入端的數(shù)位/類比轉(zhuǎn)換器(A/D converter)過(guò)載，而造成錯(cuò)誤的結(jié)果。+7.5mA與-7.5mA的偏置條件顯示變壓器飽和時(shí)對(duì)輸出波形垂直稱性的影響，其一在磁滯回線(BH loop)頂端飽和，另一個(gè)則在磁滯回線(BH loop)的底部飽和。

在有偏置電流及無(wú)偏置電流的條件下, 以網(wǎng)路分析儀量來(lái)測(cè)量信號(hào)注入變壓器(Signal Injection Transformer)，可以觀察到表觀阻抗(apparent impedance)的變化。以下測(cè)量顯示表觀電感(apparent inductance)于15mA 直流偏置條件下降低了約40dB。

直流偏置電流對(duì)變壓器也可能會(huì)造成設(shè)備的損壞(圖5)，過(guò)久或過(guò)高的DC電流會(huì)造成線圈核芯RJ磁化，導(dǎo)致變壓器RJ偏置而無(wú)法使用。如同在前面的測(cè)量中所見(jiàn)，飽和的變壓器一次側(cè)阻抗會(huì)變得非常接近變壓器線圈的DCR。當(dāng)連接到脈沖產(chǎn)生器，脈沖產(chǎn)生器內(nèi)部有50歐姆電阻能作保護(hù)。但做電源紋波抑制比(PSRR)量測(cè)，連接到高功率放大器時(shí)，并無(wú)這樣的保護(hù)。飽和的線圈對(duì)放大器形同短路，此時(shí)電流只受限于DC電流或變壓器及放大器內(nèi)部的限制電流。

圖5:變壓器在0mA(虛線)與15mA(實(shí)線)DC偏置電流下的主電感

留意應(yīng)用文件的錯(cuò)誤
認(rèn)為變壓器與穩(wěn)定性測(cè)量無(wú)關(guān)是很常見(jiàn)的錯(cuò)誤，由于量測(cè)時(shí)是在變壓器二次線圈的兩端擷取訊號(hào)，所以認(rèn)為變壓器本身對(duì)量測(cè)并沒(méi)有顯著的影響。在 National Semiconductors AN-1889 How to Measure the Loop Transfer Function of Power Supplies 中，他們建議使用60Hz AC電源變壓器。使用這樣的變壓器似乎是很有問(wèn)題的，而其結(jié)果也幾乎肯定會(huì)是錯(cuò)誤的。
製造商有時(shí)會(huì)誤導(dǎo)我們，如以上這個(gè)例子，建議使用60Hz電源變壓器作為信號(hào)注入變壓器(Signal Injection Transformer)，應(yīng)用文件中又建議將變壓器輸出/入導(dǎo)線對(duì)絞以降低電感，但卻忘了這種變壓器的漏電感(Leakage inductance)有多大。另外應(yīng)用文件告訴我們變壓器與量測(cè)無(wú)關(guān)，這說(shuō)法并不正確。在圖6中使用LM317T穩(wěn)壓器做測(cè)試，其中之一使用比60Hz AC變壓器還更好的高品質(zhì)audio變壓器(實(shí)線)，另一個(gè)則使用Picotest J2100A injection變壓器(虛線)，注意到即使在低頻的結(jié)果也有顯著的不同。

圖6是使用兩種不同injection變壓器所產(chǎn)生量測(cè)結(jié)果的比較表；虛線：J2100A、實(shí)線：高品質(zhì)audio變壓器；設(shè)置如圖 1，LM317 25mA 3.3Vout 5.8Vin 無(wú)輸出電容。

一般電源電路測(cè)量要求其頻率從1Hz(如PFC電路)到幾MHz, 而典型的LDO所需量測(cè)頻率更高。 injection變壓器是電源穩(wěn)定性量測(cè)不可或缺的部分，若使用較便宜的變壓器通常會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。