信号注入变压器

Steven M. Sandler, Managing Director, Picotest.com

Charles E. Hymowitz, Managing Director, AEi Systems

信号注入變壓器(Signal Injection Transformer)是連接在網路分析儀及電壓轉換器或穩壓器之間的一種特殊變壓器。它將擾動訊號注入控制迴路並經由網路分析儀或頻率響應分析儀來量測控制迴路的頻率響應。使用此一變壓器注入擾動訊号, 對控制迴路增益相位(phase-gain)的頻率響應進行量測, 可以把對整个迴路原本的電特性影響降至Z低。

圖1為穩壓器穩定性測試的实验电路图。網路分析儀輸出微小振幅及變動頻率的擾動訊號，該訊號通過信号注入變壓器(Signal Injection Transformer)後，注入穩壓電路控制迴路中R1之兩端的。R1通稱為注入電阻(Injection Resistor)。它有效的斷開穩壓器的控制迴路，讓網路分析儀或頻率響應分析儀的兩個量測端口(CH1&CH2)能夠比較並產生回路的振幅與相位，例如Vout/Vin。經由信号注入變壓器(Signal Injection Transformer)，電路的響應可由連接在R1的兩端的CH1與CH2觀測。無失真的訊號與电平轉換，以及適當的電路設置與連接都是獲取正確量測結果的關鍵。

在網路上搜尋，就會發現没有多少有关信号注入變壓器(Signal Injection Transformer)的文章。大多发表的文章都在討論為何不需要昂貴的變壓器。显然大部分文章包括許多穩壓器及其他電源IC製造商提供的文件都不正確。

圖1: 測量穩壓器波德圖的实验电路意示圖，變壓器連接至網路分析儀。

對信号注入變壓器(Signal Injection Transformer)的了解不完整，會导致錯誤的測試结果或是造成設備損壞。在這篇文章裡，我們將探討signal injection變壓器的獨特之處，為何audio或video變壓器在許多應用中，並不適合作為信号注入變壓器(Signal Injection Transformer)的替代方案，以及為何信号注入變壓器(Signal Injection Transformer)不適合用於測量电源纹波抑制比(PSRR)，或其他會讓DC電流流過變壓器的應用。

基本的變壓器理論

在磁性物質磁的磁滞回线(BH loop)圖上我們能觀察到與變壓器阻抗的關系，如果纵轴為磁導率與電流的乘積，也是電壓对時間的積分，那麼垂直線表示非常高的阻抗而水平線則為短路。高磁導率材料有著近乎垂直的磁滞回线(BH loop)，而低磁導率核芯則较偏斜線型的磁滞回线(BH loop)，也就是有較低的阻抗。

三種頻率範圍，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頻率點出現在變壓器的電感相等於并联電阻或injector終端電阻的地方。因此在非常低頻時，我們需要較高電感。這也清楚說明，injection電阻越低，在給定的操作頻率時所需要的電感也越低。

圖2:  5歐姆(虛線)與50歐姆(實線)終端的injection變壓器，顯示終端電阻對變壓器頻率響應的影響(使用Omicron Labs Bode-100繪製)

訊號強度在頻率響應上的影響

當一個訊號夠強時，磁滞回线(BH loop)會進入非線性的區域，減低磁導率並影響頻率響應（圖3），

這發生在當磁滞回线(BH loop)開始彎曲時，且此現像在使用高磁導率材料會比低磁導率材料還顯著。

圖3: -10dBm(虛線)與+5dBm(實線)訊號輸入injection變壓器，顯示振幅達到BH迴圈曲線的影響。

为何這不僅影響頻率響應

較大的訊號或DC電流會降低變壓器的表观電感(apparent inductance)，提升了在低頻的-3dB點，觀察示波器上的波形可以看到不同的偏置电流对信号注入變壓器(Signal Injection Transformer)输出波形的影响(圖4)

圖4: 變壓器訊號，100Hz正弦波在各种不同直流偏置電流条件下的响应。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輕易地造成分析儀輸入端的数位/类比转换器(A/D converter)過載，而造成錯誤的結果。+7.5mA與-7.5mA的偏置条件顯示變壓器飽和時對输出波形垂直稱性的影响，其一在磁滞回线(BH loop)頂端飽和，另一個則在磁滞回线(BH loop)的底部飽和。

在有偏置电流及无偏置电流的条件下, 以網路分析儀量来測量信号注入變壓器(Signal Injection Transformer)，可以觀察到表观阻抗(apparent impedance)的变化。以下测量顯示表观電感(apparent inductance)于15mA 直流偏置条件下降低了约40dB。

直流偏置电流對變壓器也可能會造成設備的損壞(圖5)，過久或過高的DC電流會造成線圈核芯RJ磁化，導致變壓器RJ偏置而無法使用。如同在前面的测量中所见，飽和的變壓器一次侧阻抗會變得非常接近變壓器线圈的DCR。當連接到脈冲產生器，脈冲產生器內部有50歐姆電阻能作保護。但做电源纹波抑制比(PSRR)量測，連接到高功率放大器時，並無這樣的保護。飽和的線圈對放大器形同短路，此时电流只受限于DC電流或變壓器及放大器內部的限制电流。

圖5:變壓器在0mA(虛線)與15mA(實線)DC偏置電流下的主電感

留意應用文件的錯誤

认为變壓器與穩定性测量無關是很常見的错误，由于量测时是在變壓器二次线圈的兩端撷取訊號，所以认为變壓器本身對量測并没有顯著的影響。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问题的，而其結果也幾乎肯定會是錯誤的。

製造商有時會誤導我們，如以上這個例子，建議使用60Hz電源變壓器作為信号注入變壓器(Signal Injection Transformer)，應用文件中又建議将变压器输出/入導線对绞以降低電感，但卻忘了這種變壓器的漏电感(Leakage inductance)有多大。另外應用文件告訴我們變壓器與量測無關，這說法並不正確。在圖6中使用LM317T穩壓器做測試，其中之一使用比60Hz AC變壓器還更好的高品質audio變壓器(實線)，另一個則使用Picotest J2100A injection變壓器(虛線)，注意到即使在低頻的結果也有顯著的不同。

圖6是使用两种不同injection变压器所产生量测結果的比较表；虛線：J2100A、實線：高品質audio變壓器；設置如圖 1，LM317 25mA 3.3Vout 5.8Vin 無輸出電容。

一般电源电路测量要求其频率從1Hz(如PFC電路)到幾MHz, 而典型的LDO所需量测频率更高。 injection變壓器是电源稳定性量測不可或缺的部分，若使用較便宜的變壓器通常会導致錯誤的結果。