詳解PWM開關穩(wěn)壓電源的尖峰干擾

引言

PWM（PulseWidthmodulation）型開關穩(wěn)壓電源具有體積小、效率高的優(yōu)點，作為電源設備在許多領域得到了廣泛的應用。但是，開關三極管的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換持續(xù)期短、頻譜甚寬的尖峰干擾是其致命弱點，它不僅影響開關電源本身，而且還會干擾鄰近的其它電子設備。

開關穩(wěn)壓電源工作時開關三極管和續(xù)流二極管（亦可以是另一個開關三極管）總是交替地導通或者截止，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，該導通的開關沒有完全導通，而該截止的開關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.該電流跟開關三極管導通時的電流Imax及截止時的電流Icmin的差值、開關KQ和KD同時導通的持續(xù)時間等因素有關。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

功率開關管瞬時導通的持續(xù)時間對尖峰干擾的影響

晶體管的開啟和關斷時間跟其截止頻率成反比。開啟、關斷時間越短，開關速度就越快。同時導通的持續(xù)時間取決于KQ和KD所使用的器件的開關速度。用速度不同的開關器件比較，開關器件的速度越快，同時導通的持續(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。

功率管的開關波形對尖峰干擾的影響與抑制

開關波形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三極管和續(xù)流二極管的開關速度。

對開關三極管而言，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、減小關斷時間可以減小尖峰干擾。

圖2開關KD的速度

在開關三極管的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導通時，D截止，C對R1和R2放電，限制了導通瞬間的峰值電流。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

開關穩(wěn)壓電源中開關快速通斷，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）。還應考慮到流過電感的直流電流值，以免飽和。

Isr是開關穩(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、整流器。倘若在整流器之前采用變壓器，則應在其初、次級加隔離。

輸出電容器對尖峰干擾的影響

開關穩(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。

開關穩(wěn)壓電源布線對尖峰干擾的抑制

開關穩(wěn)壓電源工作時向空間輻射干擾。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)構上不允許則應加屏蔽。電源輸入線周圍產(chǎn)生很強的電磁場，為減小輸入線和輸出線之間的電磁耦合，兩者必須遠離。

流過開關大電流的導線應盡量短，并且不跟其它線交連。降壓型開關穩(wěn)壓電源的續(xù)流二極管或者升壓型的開關三極管的接地端應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，輸出到負載的連線應短。圖6畫出了對三種不同長度的輸出線，當負載電流為8A時，在負載端所測得的干擾波形。輸出線長，尖峰干擾的幅度大、寬度也寬。相同長度的輸出線，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電勢，表1說明對感應電勢衰減的數(shù)值隨扭距變短而增大。

圖6

輸出線的接法對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，會在線上產(chǎn)生一個很大的尖峰干擾電壓。當開關穩(wěn)壓電源供幾個負載使用時，從輸出電容分別用雙絞線饋送到各負載為好。實際應用中饋線很長，帶有長輸出線的開關穩(wěn)壓電源，它的尖峰干擾較大。為此，可在輸出端或在負載的輸入端加設LC低通平衡濾波器。例如某開關穩(wěn)壓電源輸出2m長的饋線到負載，在負載端的尖峰干擾為3Vp-p，若在負載側(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。

結(jié)語

綜上所述，脈沖寬度調(diào)制開關穩(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。

對于個別電路，則采用其中的若干種進行組合，往往就可奏效。目前，要使開關穩(wěn)壓電源的噪音達到毫伏峰-峰數(shù)量級，尚有許多難處。但是，隨著元件的進展、工藝水平的提高以及對噪音問題的認識深化，開關穩(wěn)壓電源的輸出噪音是可能達到新水平的。