詳解PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源尖峰干擾

1　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(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。

　　2　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。

　　3　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(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。

　　4　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。

　　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）。

　　5　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。

　　6　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。

　　7　開關(guān)穩(wěn)壓電源布線對(duì)尖峰干擾的抑制

　　開關(guān)穩(wěn)壓電源工作時(shí)向空間輻射干擾。輻射噪音電平與輻射源的距離成反比。一般離5cm以外布線即可。若結(jié)構(gòu)上不允許則應(yīng)加屏蔽。電源輸入線周圍產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場(chǎng)，為減小輸入線和輸出線之間的電磁耦合，兩者必須遠(yuǎn)離。

　　流過開關(guān)大電流的導(dǎo)線應(yīng)盡量短，并且不跟其它線交連。降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源的續(xù)流二極管或者升壓型的開關(guān)三極管的接地端應(yīng)以最短的引線直接與輸出電容的地端相連。圖5表示了布線的影響，尖峰干擾通過環(huán)路I輻射，故構(gòu)成這一環(huán)路的各段連線的感性耦合必須最小，電容器的引線要短，以減小引線電感。

　　為減小輸出線上的損耗和尖峰干擾，輸出到負(fù)載的連線應(yīng)短。圖6畫出了對(duì)三種不同長(zhǎng)度的輸出線，當(dāng)負(fù)載電流為8A時(shí)，在負(fù)載端所測(cè)得的干擾波形。輸出線長(zhǎng)，尖峰干擾的幅度大、寬度也寬。相同長(zhǎng)度的輸出線，線徑粗則尖峰干擾幅度大、寬度寬。用雙絞線能有效地衰減電磁感應(yīng)電勢(shì)，表1說明對(duì)感應(yīng)電勢(shì)衰減的數(shù)值隨扭距變短而增大。

　　輸出線的接法對(duì)尖峰干擾有很大的影響。用雙絞線直接從輸出電容器的高端和低端輸出，可使正、反向的干擾電流抵消。否則干擾電流流經(jīng)輸出線，會(huì)在線上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰干擾電壓。當(dāng)開關(guān)穩(wěn)壓電源供幾個(gè)負(fù)載使用時(shí)，從輸出電容分別用雙絞線饋送到各負(fù)載為好。實(shí)際應(yīng)用中饋線很長(zhǎng)，帶有長(zhǎng)輸出線的開關(guān)穩(wěn)壓電源，它的尖峰干擾較大。為此，可在輸出端或在負(fù)載的輸入端加設(shè)LC低通平衡濾波器。例如某開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出2m長(zhǎng)的饋線到負(fù)載，在負(fù)載端的尖峰干擾為3Vp-p，若在負(fù)載側(cè)加LC濾波器，則下降為100mVp-p。不接電感L，只加電容則尖峰干擾為1Vp-p，可見小電感L是必須的。

　　8 結(jié)語

　　綜上所述，脈沖寬度調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源所產(chǎn)生的噪音的頻譜很寬，從幾赫茲到幾十兆赫茲，根據(jù)本文所分析的因素，按照以上所討論的方法，可以有效地抑制這些噪聲中的尖峰干擾。

　　對(duì)于個(gè)別電路，則采用其中的若干種進(jìn)行組合，往往就可奏效。目前，要使開關(guān)穩(wěn)壓電源的噪音達(dá)到毫伏峰-峰數(shù)量級(jí)，尚有許多難處。但是，隨著元件的進(jìn)展、工藝水平的提高以及對(duì)噪音問題的認(rèn)識(shí)深化，開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出噪音是可能達(dá)到新水平的。