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電源設(shè)計(jì)注意事項(xiàng):噪聲和尖峰

發(fā)布時(shí)間:2020-11-01 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在本文中,我們將看到一個(gè)包含噪聲和感應(yīng)負(fù)載尖峰的模擬。一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)或一個(gè)二極管可以節(jié)省你的mosfet和你的電路。使用的主要電子軟件是LTspice,一個(gè)高性能的SPICE仿真軟件、原理圖捕捉和波形查看器,它具有增強(qiáng)功能和簡化模擬電路模擬的模型。
 
帶電阻負(fù)載的簡單電路
 
電源開關(guān)非常重要。它們的操作決定了產(chǎn)品的可靠性和效率。為了改善開關(guān)電路的性能,在功率開關(guān)之間放置抑制器來抑制電壓峰值,并在開關(guān)打開時(shí)抑制電路電感引起的振蕩。良好的抑制器設(shè)計(jì)可以帶來更高的可靠性、更高的效率和更少的電磁干擾(EMI)。讓我們從一個(gè)簡單的電路開始,其中作為開關(guān)元件的MOSFET驅(qū)動(dòng)一個(gè)8Ω的電阻負(fù)載(圖1)。對MOSFET進(jìn)行少量加熱是完全正常的。如果我們把柵極電位設(shè)置為10V,我們就可以把MOSFET切換到“on”狀態(tài)。在這種情況下,它的內(nèi)阻很低,元件就像是一根閉合的電線。漏極上的電壓接近0伏。電流流過電阻器和MOSFET。
 
電源設(shè)計(jì)注意事項(xiàng):噪聲和尖峰
圖1:MOSFET驅(qū)動(dòng)電阻負(fù)載。
 
相反地,如果我們在MOSFET的柵極上施加0伏的電壓,組件就會切換到“關(guān)閉”狀態(tài)。在這種情況下,它的內(nèi)阻非常高,就好像電路中沒有元件一樣。電阻器上沒有電流,也沒有電壓。通過對MOSFET施加頻率為1khz的脈沖信號,漏極輸出遵循與柵極相同的波形,但具有相位反轉(zhuǎn)。對于許多類型的開關(guān)設(shè)備,即使連接到電阻負(fù)載,也會產(chǎn)生輸出峰值,其特征是持續(xù)時(shí)間很短,如圖2所示。這些峰值(約2V)是不危險(xiǎn)的,可以減少或消除使用并聯(lián)電容器。
 
電源設(shè)計(jì)注意事項(xiàng):噪聲和尖峰
圖2:漏極上的峰值
 
使用的MOSFET是IRF530(圖3)。讓我們來看看它的絕對最大額定值:
 
VDS:100伏
 
VGS:±20伏
 
連續(xù)漏極電流(10 V和TC=25°C下的VGS):14 A
 
連續(xù)漏極電流(10 V和TC=100°C下的VGS):19 A
 
脈沖漏極電流:56A
 
最大功耗(TC=25°C):88 W
 
RDS(開):0.16Ω
 
用MOSFET進(jìn)行的模擬都包含在它的電學(xué)極限之內(nèi)。
 
電源設(shè)計(jì)注意事項(xiàng):噪聲和尖峰
圖3:MOSFET IRF530
 
與感應(yīng)負(fù)載相同的電路
 
現(xiàn)在讓我們用感性負(fù)載而不是電阻負(fù)載來檢查相同的電路(圖4)。感應(yīng)負(fù)載(電動(dòng)機(jī)、變壓器、線圈等)的存在是非常關(guān)鍵的。柵極的每個(gè)矩形脈沖對應(yīng)于漏極上的一個(gè)非常高的峰值。這些峰值比以前的寬得多(有幾微秒的長度),可以達(dá)到幾千伏的電壓。這些電壓尖峰被稱為“感應(yīng)反彈”。顯然,它們可能對負(fù)載和電路造成危險(xiǎn)。危險(xiǎn)的電壓電弧也可能出現(xiàn)。如果電壓尖峰足夠高,就有可能破壞MOSFET和其他與之相連的元件。為什么會有這么大的山峰?當(dāng)MOSFET“打開”時(shí),電流流過電感,情況良好。感應(yīng)負(fù)載儲存了感應(yīng)能量。當(dāng)晶體管“關(guān)”時(shí),線圈的電流不能立即改變,仍然有電流流過電感器。這個(gè)電流決定了幾分鐘內(nèi)的電位差很大。但是,請注意,電路V(漏極)的輸出電壓的平均值為12 V,其RMS值約為168 V。
 
電源設(shè)計(jì)注意事項(xiàng):噪聲和尖峰
圖4:MOSFET驅(qū)動(dòng)感應(yīng)負(fù)載。
 
我們可以在漏極上看到巨大的電壓尖峰。有時(shí),小線圈的小尖峰并不能破壞元件,但如果MOSFET驅(qū)動(dòng)一個(gè)大電機(jī),破壞的風(fēng)險(xiǎn)非常高。峰值電壓與線圈的電感成正比,如圖5所示。峰值的持續(xù)時(shí)間以微秒為單位。
 
電源設(shè)計(jì)注意事項(xiàng):噪聲和尖峰
圖5:峰值電壓與線圈電感成正比。
 
為了降低峰值電壓,一個(gè)RC抑制器被應(yīng)用到MOSFET上,如圖6所示。通常,緩沖器由一個(gè)低值電阻和一個(gè)小電容組成。電阻值必須與電感器的諧振電阻值相似。抑制器的電容必須大于諧振電路的電容,但必須足夠小,以使電阻器的功耗保持在最小。必須使用適當(dāng)?shù)姆匠淌阶屑?xì)計(jì)算R(減速)和C(減速)的值。
 
電源設(shè)計(jì)注意事項(xiàng):噪聲和尖峰
圖6:典型的RC抑制器
 
現(xiàn)在峰值電壓已經(jīng)從3000伏下降到70伏左右,從電子元件的危險(xiǎn)角度來看是無害的。如果負(fù)載只有電阻,則不需要RC抑制器。圖7顯示了另一個(gè)使用鉗位齊納二極管的示意圖。
 
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圖7:鉗位齊納二極管
 
在這種情況下,峰值也會降低。在某些情況下,在某些頻率下,可能會出現(xiàn)低振蕩(圖8)。在這種情況下,只需將一個(gè)小電容并聯(lián)在齊納二極管上就足夠了。
 
電源設(shè)計(jì)注意事項(xiàng):噪聲和尖峰
圖8:MOSFET漏極上約56khz的振蕩
 
 
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