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电源设计注意事项:噪声和尖峰

发布时间:2020-11-01 责任编辑:wenwei

【导读】在本文中,我们将看到一个包含噪声和感应负载尖峰的模拟。一个RC网络或一个二极管可以节省你的mosfet和你的电路。使用的主要电子软件是LTspice,一个高性能的SPICE仿真软件、原理图捕捉和波形查看器,它具有增强功能和简化模拟电路模拟的模型。
 
带电阻负载的简单电路
 
电源开关非常重要。它们的操作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抑制器来抑制电压峰值,并在开关打开时抑制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、更高的效率和更少的电磁干扰(EMI)。让我们从一个简单的电路开始,其中作为开关元件的MOSFET驱动一个8Ω的电阻负载(图1)。对MOSFET进行少量加热是完全正常的。如果我们把栅极电位设置为10V,我们就可以把MOSFET切换到“on”状态。在这种情况下,它的内阻很低,元件就像是一根闭合的电线。漏极上的电压接近0伏。电流流过电阻器和MOSFET。
 
电源设计注意事项:噪声和尖峰
图1:MOSFET驱动电阻负载。
 
相反地,如果我们在MOSFET的栅极上施加0伏的电压,组件就会切换到“关闭”状态。在这种情况下,它的内阻非常高,就好像电路中没有元件一样。电阻器上没有电流,也没有电压。通过对MOSFET施加频率为1khz的脉冲信号,漏极输出遵循与栅极相同的波形,但具有相位反转。对于许多类型的开关设备,即使连接到电阻负载,也会产生输出峰值,其特征是持续时间很短,如图2所示。这些峰值(约2V)是不危险的,可以减少或消除使用并联电容器。
 
电源设计注意事项:噪声和尖峰
图2:漏极上的峰值
 
使用的MOSFET是IRF530(图3)。让我们来看看它的绝对最大额定值:
 
VDS:100伏
 
VGS:±20伏
 
连续漏极电流(10 V和TC=25°C下的VGS):14 A
 
连续漏极电流(10 V和TC=100°C下的VGS):19 A
 
脉冲漏极电流:56A
 
最大功耗(TC=25°C):88 W
 
RDS(开):0.16Ω
 
用MOSFET进行的模拟都包含在它的电学极限之内。
 
电源设计注意事项:噪声和尖峰
图3:MOSFET IRF530
 
与感应负载相同的电路
 
现在让我们用感性负载而不是电阻负载来检查相同的电路(图4)。感应负载(电动机、变压器、线圈等)的存在是非常关键的。栅极的每个矩形脉冲对应于漏极上的一个非常高的峰值。这些峰值比以前的宽得多(有几微秒的长度),可以达到几千伏的电压。这些电压尖峰被称为“感应反弹”。显然,它们可能对负载和电路造成危险。危险的电压电弧也可能出现。如果电压尖峰足够高,就有可能破坏MOSFET和其他与之相连的元件。为什么会有这么大的山峰?当MOSFET“打开”时,电流流过电感,情况良好。感应负载储存了感应能量。当晶体管“关”时,线圈的电流不能立即改变,仍然有电流流过电感器。这个电流决定了几分钟内的电位差很大。但是,请注意,电路V(漏极)的输出电压的平均值为12 V,其RMS值约为168 V。
 
电源设计注意事项:噪声和尖峰
图4:MOSFET驱动感应负载。
 
我们可以在漏极上看到巨大的电压尖峰。有时,小线圈的小尖峰并不能破坏元件,但如果MOSFET驱动一个大电机,破坏的风险非常高。峰值电压与线圈的电感成正比,如图5所示。峰值的持续时间以微秒为单位。
 
电源设计注意事项:噪声和尖峰
图5:峰值电压与线圈电感成正比。
 
为了降低峰值电压,一个RC抑制器被应用到MOSFET上,如图6所示。通常,缓冲器由一个低值电阻和一个小电容组成。电阻值必须与电感器的谐振电阻值相似。抑制器的电容必须大于谐振电路的电容,但必须足够小,以使电阻器的功耗保持在最小。必须使用适当的方程式仔细计算R(减速)和C(减速)的值。
 
电源设计注意事项:噪声和尖峰
图6:典型的RC抑制器
 
现在峰值电压已经从3000伏下降到70伏左右,从电子元件的危险角度来看是无害的。如果负载只有电阻,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示意图。
 
电源设计注意事项:噪声和尖峰
图7:钳位齐纳二极管
 
在这种情况下,峰值也会降低。在某些情况下,在某些频率下,可能会出现低振荡(图8)。在这种情况下,只需将一个小电容并联在齐纳二极管上就足够了。
 
电源设计注意事项:噪声和尖峰
图8:MOSFET漏极上约56khz的振荡
 
 
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