电源设计中关于噪声和尖峰的解决方案

在本教程中，我们将看到一个涉及噪声和带有感性负载的尖峰的仿真。RC网络或二极管可以节省MOSFET和电路。所使用的主要电子软件是LTspice，这是一种高性能SPICE仿真软件，原理图捕获和波形查看器，具有用于简化模拟电路仿真的增强功能和模型。可以在这里免费下载。

具有电阻负载的简单电路

电源开关非常重要。它们的运行决定了产品的可靠性和效率。为了改善开关电路的性能，在功率开关之间放置了抑制器，以抑制电压峰值并抑制开关断开时由电路电感引起的振荡。良好的抑制器设计可以带来更高的可靠性，更高的效率以及更少的电磁干扰（EMI）。让我们从一个简单的电路开始，在该电路中，用作开关元件的MOSFET驱动8Ω的电阻负载（图1）。MOSFET发热很小是完全正常的。如果将栅极电势设置为10 V，则可以将MOSFET切换到“导通”状态。在这种情况下，其内部电阻非常低，并且组件就像是闭路电线。

图1：MOSFET驱动电阻负载。

相反，如果我们在MOSFET的栅极上施加0 V的电压，则该组件将切换到“关闭”状态。在这种情况下，其内部电阻非常高，就好像电路中不存在该元件。没有电流流过电阻，并且没有电压。通过以1 kHz的频率向MOSFET施加脉动信号，漏极输出遵循与栅极相同的波形，但具有反相。对于许多类型的开关设备，即使连接到电阻性负载，也会产生输出峰值，其持续时间很短，如图2所示。这些峰值（大约2 V）并不危险，可以降低或降低。通过使用并联的电容器消除。

图2：排水沟上的山峰

所使用的MOSFET是IRF530（图3）。让我们检查一下它的绝对最大额定值：

VDS：100 V

VGS：±20 V

连续漏极电流（VGS在10 V且TC = 25°C时）：14 A

持续漏极电流（VGS在10 V和TC = 100°C时）：19 A

脉冲漏极电流：56 A

最大功耗（TC = 25°C）：88 W

RDS（on）：0.16Ω

用MOSFET进行的仿真都包含在其电气极限之内。

图3：MOSFET IRF530

与感性负载相同的电路

现在，让我们检查具有电感负载而不是电阻负载的同一电路（图4）。感性负载（电动机，变压器，线圈等）的存在非常关键。栅极的每个矩形脉冲对应于漏极上的一个非常高的峰值。这些峰值比以前的峰值宽得多（长度为几微秒），可以达到数千伏的电压。这些电压尖峰称为“感应反弹”。显然，它们通常会对负载和电路造成危险。还会产生危险的电弧。如果电压尖峰足够高，则可能会损坏MOSFET及其连接的其他组件。为什么会有这些大山峰？当MOSFET“导通”时，电流流过电感，情况良好。感性负载已存储了感性能量。当晶体管处于“关闭”状态时，线圈的电流无法立即改变，并且仍然有电流流过电感器。此电流在短时间内决定了很大的电势差。但是，请注意，电路V（drain）的输出电压的平均值为12 V，其RMS值约为168V。

图4：MOSFET驱动感性负载。

我们可以看到漏极上有巨大的电压尖峰。有时，小线圈的小尖峰无法破坏组件，但是，如果MOSFET驱动大电机，则被破坏的风险非常高。如图5所示，峰值电压与线圈的电感成正比。峰值的持续时间约为微秒。

图5：峰值电压与线圈的电感成正比。

为了降低峰值电压，将RC抑制器应用于MOSFET，如图6所示。缓冲器通常由一个低值电阻器和一个小电容器组成。电阻值必须类似于电感的谐振值。抑制器的电容必须大于谐振电路的电容，但必须足够小，以使电阻器的功耗最小。必须使用适当的公式仔细计算R（snub）和C（snub）的值。

图6：典型的RC抑制器

现在，峰值的值已从3,000 V降至约70 V，从对电子组件造成危险的角度来看，这是无害的。如果负载仅是电阻性的，则不需要RC抑制器。图7显示了另一个使用钳位齐纳二极管的原理图。

图7：钳位齐纳二极管

同样在这种情况下，峰值将减小。在某些情况下和某些频率下，可能会产生低振荡（图8）。在这种情况下，只需将一个小电容器与齐纳二极管并联即可。

图8：MOSFET漏极上约56 kHz的振荡

编辑：hfy