詳解PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源的尖峰干擾

引言

PWM（PulseWidthmodulation）型開關(guān)穩(wěn)壓電源具有體積小、效率高的優(yōu)點(diǎn)，作為電源設(shè)備在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，開關(guān)三極管的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換持續(xù)期短、頻譜甚寬的尖峰干擾是其致命弱點(diǎn)，它不僅影響開關(guān)電源本身，而且還會(huì)干擾鄰近的其它電子設(shè)備。

開關(guān)穩(wěn)壓電源工作時(shí)開關(guān)三極管和續(xù)流二極管（亦可以是另一個(gè)開關(guān)三極管）總是交替地導(dǎo)通或者截止，圖1中KQ和KD并非是理想器件，兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，這就產(chǎn)生了尖峰干擾。在狀態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，該導(dǎo)通的開關(guān)沒(méi)有完全導(dǎo)通，而該截止的開關(guān)卻又沒(méi)有截止的瞬間，電源到地有直接的通路，產(chǎn)生瞬態(tài)電流Is.該電流跟開關(guān)三極管導(dǎo)通時(shí)的電流Imax及截止時(shí)的電流Icmin的差值、開關(guān)KQ和KD同時(shí)導(dǎo)通的持續(xù)時(shí)間等因素有關(guān)。由于電路分布參數(shù)的影響，在波形上出現(xiàn)振鈴振蕩。

圖1瞬態(tài)電流

功率開關(guān)管瞬時(shí)導(dǎo)通的持續(xù)時(shí)間對(duì)尖峰干擾的影響

晶體管的開啟和關(guān)斷時(shí)間跟其截止頻率成反比。開啟、關(guān)斷時(shí)間越短，開關(guān)速度就越快。同時(shí)導(dǎo)通的持續(xù)時(shí)間取決于KQ和KD所使用的器件的開關(guān)速度。用速度不同的開關(guān)器件比較，開關(guān)器件的速度越快，同時(shí)導(dǎo)通的持續(xù)時(shí)間越短，尖峰干擾越是寬度窄、幅度大。

減小變壓器漏感引起的電壓尖峰

變壓器的漏感越大，電壓尖峰越高，射頻干擾也就越大。特別是變壓器采取屏蔽后，由于耦合差，漏感也相應(yīng)大一些。一般說(shuō)，用環(huán)型磁芯繞制的變壓器產(chǎn)生的漏感要比E型小些。另外，繞線工藝也很重要，較好的繞線方式是先繞初級(jí)總?cè)?shù)的一半，再繞次級(jí)的全部圈數(shù)，最后再繞初級(jí)的剩余一半，即次級(jí)線圈在初級(jí)線圈的中間。這樣初級(jí)線圈保持有較好的耦合，使變壓器有較小的漏感。

功率管的開關(guān)波形對(duì)尖峰干擾的影響與抑制

開關(guān)波形Usr（t）的方正度影響尖峰干擾。矩形波的諧波幅度隨頻率增加而減小的速率為20dB十倍頻程，梯形波則為40dB？十倍頻程。有意識(shí)地改變矩形波的陡峭程度和兩角的鈍化程度可抑制高頻分量、減小尖峰干擾。故要合理地選擇開關(guān)三極管和續(xù)流二極管的開關(guān)速度。

對(duì)開關(guān)三極管而言，有兩種方法可減小尖峰干擾，即增大Vce的上升時(shí)間和減小Ic的下降時(shí)間。圖2電路中，在確定了KQ之后，可從圖3看出，增大KD的開啟時(shí)間、減小關(guān)斷時(shí)間可以減小尖峰干擾。

圖2開關(guān)KD的速度

在開關(guān)三極管的CE之間，或者在續(xù)流二極管的兩端并聯(lián)RC緩沖電路可使尖峰干擾明顯減小。圖3中，三極管T關(guān)斷時(shí)，集電極電壓上升，通過(guò)D和R1對(duì)C充電，使其上升速率變緩，選擇充電常數(shù)CR1的值可以控制上升速率。T導(dǎo)通時(shí)，D截止，C對(duì)R1和R2放電，限制了導(dǎo)通瞬間的峰值電流。該緩沖電路改變了負(fù)載線的形狀，減少了開關(guān)三極管的損耗。在續(xù)流二極管兩端并上RC電路也同樣有效。圖3中，當(dāng)用3DD11和2CK120C時(shí)，可并0.022LF左右的電容器（f=2kHz），該電容的容量有一最佳值，它的作用可以從圖4看出。圖4（a）是不加C的情況，將其在時(shí)間軸上放大后為圖4（b）。并上緩沖電容后分別見圖4（c）和（d）。

圖3

在輸入電網(wǎng)中，部噪聲的抑制方法

開關(guān)穩(wěn)壓電源中開關(guān)快速通斷，didt很大，在供電系統(tǒng)的漏電感上產(chǎn)生幅度很大的瞬態(tài)壓降，使輸入電壓源有一個(gè)時(shí)間很短的瞬時(shí)跌落，破壞電網(wǎng)的正常波形、形成干擾。輸入電源中的干擾也會(huì)影響開關(guān)穩(wěn)壓電源。輸入濾波器具有一定的隔離作用，通常采用P型LC平衡濾波器，對(duì)脈動(dòng)干擾可以衰減20dB，尖峰干擾也能衰減6dB之多。電感量的計(jì)算式：

式中E尖峰是尖峰干擾電壓（Vp-p），f尖峰是尖峰干擾的頻率（Hz）。還應(yīng)考慮到流過(guò)電感的直流電流值，以免飽和。

Isr是開關(guān)穩(wěn)壓電源的最大輸入直流電流（A），Usr是輸入直流電壓（V）。用市電供電的電源系統(tǒng)，濾波器應(yīng)裝在一鋁質(zhì)密封小盒內(nèi)，小盒放在機(jī)箱內(nèi)，電源線進(jìn)入孔的旁邊，使電源線一進(jìn)入機(jī)箱就到濾波小盒，然后再引出至電源開關(guān)、整流器。倘若在整流器之前采用變壓器，則應(yīng)在其初、次級(jí)加隔離。

輸出電容器對(duì)尖峰干擾的影響

開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電容量大，需用電解電容器。普通電解電容的高頻特性不好，存在著較大的等效電感和電阻，故阻抗大，尖峰噪音也大。高頻電解電容器是具有優(yōu)良高頻特性的低電感器件，它對(duì)脈沖源及輸出電壓提供了很好的與接地回路的隔離，并提供良好的噪聲濾波。

目前有三種高頻電解電容器，一種是四端電容器，它的高頻特性良好，但是負(fù)載電流流過(guò)電容器內(nèi)部使之發(fā)熱，故電流要限制在10A以下；二是大型高頻濾波電解電容器，它有承受大電流的能力但高頻特性不及前者好；第三種是高頻濾波電解電容器，優(yōu)點(diǎn)是體積小。不改變電路的其它參數(shù)，假若用普通電解電容器時(shí)尖峰干擾為150mVp-p，而用四端電容則為50mVp-p.用一定容量的聚碳酸脂電容或高頻陶瓷電容跟輸出電解電容并聯(lián)，可以進(jìn)一步降低尖峰干擾。