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電源設計注意事項:噪聲和尖峰

發(fā)布時間:2020-11-01 責任編輯:wenwei

【導讀】在本文中,我們將看到一個包含噪聲和感應負載尖峰的模擬。一個RC網絡或一個二極管可以節(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,它具有增強功能和簡化模擬電路模擬的模型。
 
帶電阻負載的簡單電路
 
電源開關非常重要。它們的操作決定了產品的可靠性和效率。為了改善開關電路的性能,在功率開關之間放置抑制器來抑制電壓峰值,并在開關打開時抑制電路電感引起的振蕩。良好的抑制器設計可以帶來更高的可靠性、更高的效率和更少的電磁干擾(EMI)。讓我們從一個簡單的電路開始,其中作為開關元件的MOSFET驅動一個8Ω的電阻負載(圖1)。對MOSFET進行少量加熱是完全正常的。如果我們把柵極電位設置為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。
 
電源設計注意事項:噪聲和尖峰
圖1:MOSFET驅動電阻負載。
 
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“關閉”狀態(tài)。在這種情況下,它的內阻非常高,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。對于許多類型的開關設備,即使連接到電阻負載,也會產生輸出峰值,其特征是持續(xù)時間很短,如圖2所示。這些峰值(約2V)是不危險的,可以減少或消除使用并聯(lián)電容器。
 
電源設計注意事項: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進行的模擬都包含在它的電學極限之內。
 
電源設計注意事項:噪聲和尖峰
圖3:MOSFET IRF530
 
與感應負載相同的電路
 
現(xiàn)在讓我們用感性負載而不是電阻負載來檢查相同的電路(圖4)。感應負載(電動機、變壓器、線圈等)的存在是非常關鍵的。柵極的每個矩形脈沖對應于漏極上的一個非常高的峰值。這些峰值比以前的寬得多(有幾微秒的長度),可以達到幾千伏的電壓。這些電壓尖峰被稱為“感應反彈”。顯然,它們可能對負載和電路造成危險。危險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MOSFET“打開”時,電流流過電感,情況良好。感應負載儲存了感應能量。當晶體管“關”時,線圈的電流不能立即改變,仍然有電流流過電感器。這個電流決定了幾分鐘內的電位差很大。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。
 
電源設計注意事項:噪聲和尖峰
圖4:MOSFET驅動感應負載。
 
我們可以在漏極上看到巨大的電壓尖峰。有時,小線圈的小尖峰并不能破壞元件,但如果MOSFET驅動一個大電機,破壞的風險非常高。峰值電壓與線圈的電感成正比,如圖5所示。峰值的持續(xù)時間以微秒為單位。
 
電源設計注意事項: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RC抑制器被應用到MOSFET上,如圖6所示。通常,緩沖器由一個低值電阻和一個小電容組成。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?shù)姆匠淌阶屑氂嬎鉘(減速)和C(減速)的值。
 
電源設計注意事項:噪聲和尖峰
圖6:典型的RC抑制器
 
現(xiàn)在峰值電壓已經從3000伏下降到70伏左右,從電子元件的危險角度來看是無害的。如果負載只有電阻,則不需要RC抑制器。圖7顯示了另一個使用鉗位齊納二極管的示意圖。
 
電源設計注意事項:噪聲和尖峰
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,只需將一個小電容并聯(lián)在齊納二極管上就足夠了。
 
電源設計注意事項:噪聲和尖峰
圖8:MOSFET漏極上約56khz的振蕩
 
 
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