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:
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),小盒放在機箱內(nèi),電源線進入孔的旁邊,使電源線一進入機箱就到濾波小盒,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、次級加隔離。
輸出電容器對尖峰干擾的影響
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,但是負載電流流過電容器內(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),可以進一步降低尖峰干擾。
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