批量變壓器 EMI 不穩？CMRR 快速檢測方案推薦

在隔離式開關電源轉換器中，電源變壓器通常是共模噪聲的主要來源。為什么？因為在變壓器內部，處于隔離屏障兩側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生了明顯的寄生電容。

這些繞組上所呈現的電壓，往往包含比較高的交流分量。以 圖 1 中的反激式轉換器為例，原邊繞組連接至原邊開關的漏極，此漏極的電壓波形在多個頻段呈現高交流分量。該交流電壓會借助寄生電容，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。

圖 1 反激式電源變壓器引發的共模噪聲問題。

幸運的是，諸如屏蔽技術和共模平衡等變壓器設計策略，能夠最大程度削弱變壓器對電磁干擾 (EMI) 的負面影響。然而，要精準評估變壓器對電磁干擾的具體影響程度，并據此優化其結構設計，通常既具挑戰性又耗時冗長。針對每一個待測試的變壓器設計方案，都必須先將變壓器焊接至印刷電路板 (PCB)，再將電源轉換器放入電磁干擾 (EMI) 測試夾具內進行掃描測試。若測試結果顯示變壓器的電磁干擾性能未達標準，則還需將其從印刷電路板 (PCB) 上拆下，并重試。

本文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，就能預先檢測其電磁干擾 (EMI) 性能。

僅需一臺函數發生器和一臺示波器，即可模擬變壓器在電路中的實際工作條件，并測量其共模電磁干擾 (EMI) 特性。圖 2 的圖中展示了針對 圖 1 中變壓器進行此項測量的具體配置方法。注意：此變壓器原邊配置有兩個繞組（分別為 W_P 和 W_AUX），副邊配置有一個繞組（W_S）。

首先，用一小段導線將原邊的交流靜點 (AC quiet node) 相互連接。這里的交流靜點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的交流靜點。如果變壓器副邊配有多個繞組，也需將所有副邊靜點連接在一起，但務必注意，切不可將其與原邊靜點相連。

圖 2 變壓器共模抑制比 (CMRR) 測試配置方案：用一小段導線，將原邊與副邊的交流靜點 (AC quiet node) 分別進行連接，隨后在原邊繞組上施加一個小幅正弦波信號，通過測量原副邊交流靜點間的感應電壓與函數發生器注入電壓的比值，即可得出共模抑制比 (CMRR)。

隨后，借助函數發生器，在變壓器原邊繞組上施加一個小幅正弦波信號。這一操作能夠模擬原邊繞組電壓，但此時是在單一頻率下，采用安全且低電壓的方式進行測試。信號幅度的大小在此并不關鍵，因為變壓器的寄生電容在很大程度上并不受電壓幅度的影響。

最后，利用示波器的一個通道，對函數發生器注入的電壓進行測量。同時，使用另一個通道，測量原邊與副邊交流靜點之間所感應產生的電壓。這兩個信號的比值，本質上就是共模抑制比 (CMRR)，能夠直觀反映出在該頻率下，電源變壓器對共模噪聲的貢獻程度。

圖 3 展示了在 100 kHz 特定頻率下，針對兩款不同變壓器進行該測試所得到的結果。1 號變壓器采用的結構設計，使其共模抑制比 (CMRR) 達到了 -39.6dB；相比之下，2 號變壓器的共模抑制比數值更高，為 -31.4dB。這表明 1 號變壓器產生的共模噪聲比 2 號變壓器小。借助函數發生器，可以深入探究變壓器在不同頻率下呈現出的特性表現。

圖 3 時域變壓器共模抑制比 (CMRR) 測試結果表明，在 100 kHz 這一測試頻率點上，1 號變壓器產生的共模噪聲低于 2 號變壓器。

此外，也可使用頻率響應分析儀 (FRA) 進行同樣的測試，通過掃描注入信號的頻率，全面覆蓋整個感興趣的頻段范圍。圖 4 呈現了這兩款變壓器在 100kHz 至 30MHz 寬頻范圍內的頻率響應分析儀 (FRA) 測量數據。注意，在 100kHz 至約 4MHz 的寬頻區間內，增益十分平穩。100kHz 處的增益與函數發生器測試結果高度相符，說明在 100kHz 下開展的函數發生器測試，足以準確表征這兩款變壓器在該頻段內的特性。當頻率高于幾兆赫茲時，您應在感興趣的特定頻率點測量這些變壓器的共模抑制比 (CMRR)。

圖 4 使用頻率響應分析儀 (FRA) 在 100kHz 至 4MHz 寬頻范圍內對 1 號變壓器和 2 號變壓器進行頻域共模抑制比 (CMRR) 測試的結果。

圖 5 展示了將兩款變壓器焊接至開關電源轉換器印刷電路板 (PCB) 后，依據國際無線電干擾特別委員會 (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques, CISPR) 32 B 類限值標準，測得的傳導電磁干擾 (EMI) 特性。其中，上限線代表準峰值測量結果，下限線代表平均值測量結果。測試結果表明，2 號變壓器的電磁干擾 (EMI) 結果比 1 號變壓器差，符合預期。實際上，1 號變壓器以較大裕量通過測試，而 2 號變壓器以微小差距未通過測試。

圖 5 兩款變壓器的傳導電磁干擾 (EMI) 測試結果：1 號變壓器以較大裕量通過測試，2 號變壓器以微小差距未通過測試。

有趣的是，本案例涉及的兩款變壓器在繞組結構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的波動，表明電磁干擾 (EMI) 性能對變壓器制造細節具有高度敏感性。即便是細微差異（例如變壓器內部單根導線的精確布放位置或絕緣層厚度的細微變化）也可能產生顯著影響。

就本例的變壓器制造實踐而言，顯然無法保證所有量產產品均穩定通過 CISPR 32 傳導電磁干擾 (EMI) 限值測試。為解決這一問題，一個辦法是在電路中增強電磁干擾 (EMI) 濾波，以提升裕量。還有一個辦法是在生產過程中，利用函數發生器對每臺變壓器樣品進行逐一篩選測試。該篩選測試方法與變壓器繞組匝數比的常規篩選測試方法高度相似，因此無需額外配置專用測試設備。在本例中，只有通過篩選測試且共模抑制比 (CMRR) 低于 -38dB 的變壓器可確保其組裝為電源轉換器系統后，所有產品均具備高概率通過電磁干擾 (EMI) 測試的可靠性。