工程師分享：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，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，它不僅影響開關(guān)電源本身，而且還會干擾鄰近的其它電子設(shè)備。

開關(guān)穩(wěn)壓電源工作時開關(guān)三極管和續(xù)流二極管(亦可以是另一個開關(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)換需要一定的時間，這就產(chǎn)生了尖峰干擾。在狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，該導(dǎo)通的開關(guān)沒有完全導(dǎo)通，而該截止的開關(guān)卻又沒有截止的瞬間，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)通時的電流Imax及截止時的電流Icmin的差值、開關(guān)KQ和KD同時導(dǎo)通的持續(xù)時間等因素有關(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)管瞬時導(dǎo)通的持續(xù)時間對尖峰干擾的影響

晶體管的開啟和關(guān)斷時間跟其截止頻率成反比。開啟、關(guān)斷時間越短，開關(guān)速度就越快。同時導(dǎo)通的持續(xù)時間取決于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，同時導(dǎo)通的持續(xù)時間越短，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，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總?cè)?shù)的一半，再繞次級的全部圈數(shù)，最后再繞初級的剩余一半，即次級線圈在初級線圈的中間。這樣初級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的上升時間和減小Ic的下降時間。圖2電路中，在確定了KQ之后，可從圖3看出，增大KD的開啟時間、減小關(guān)斷時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，集電極電壓上升，通過D和R1對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，D截止，C對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，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時間很短的瞬時跌落，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，對脈動干擾可以衰減20dB，尖峰干擾也能衰減6dB之多。電感量的計算式：