电源设计说明：噪声和尖峰

在本教程中，我们将看到一个涉及电感负载的噪声和尖峰的模拟。RC 网络或二极管可以节省您的 MOSFET 和电路。使用的主要电子软件是 LTspice，这是一种高性能 SPICE 仿真软件、原理图捕获和波形查看器，具有增强功能和模型，可简化模拟电路的仿真。

带阻性负载的简单电路

电源开关非常重要。它们的运行决定了产品的可靠性和效率。为了提高开关电路的性能，在电源开关之间放置抑制器以抑制电压峰值并抑制开关打开时电路电感引起的振荡。良好的抑制器设计可以带来更高的可靠性、更高的效率和更少的电磁干扰 (EMI)。让我们从一个简单的电路开始，其中用作开关元件的 MOSFET 驱动 8 Ω 电阻负载（图 1）。MOSFET 的小幅发热是完全正常的。如果我们将栅极电位设置为 10 V，我们可以将 MOSFET 切换到“导通”状态。在这种情况下，它的内阻非常低，元件就像是一条闭路电线。

图 1：MOSFET 驱动电阻负载。

相反，如果我们在 MOSFET 的栅极上施加 0 V 电压，则该组件会切换到“关断”状态。在这种情况下，它的内阻非常高，就好像电路中没有该元件一样。电阻上没有电流流过，电阻上也没有电压。通过以 1 kHz 的频率向 MOSFET 施加脉冲信号，漏极输出遵循与栅极相同的波形，但具有相位反转。对于许多类型的开关设备，即使连接到阻性负载，也会产生输出峰值，其特点是持续时间非常短，如图 2 所示。这些峰值（约 2 V）并不危险，可以降低或降低通过使用并联电容器消除。

图 2：排水管上的峰值

使用的 MOSFET 是 IRF530（图 3）。让我们来看看它的绝对最大额定值：

VDS：100 伏

VGS：±20V

连续漏极电流（VGS 在 10 V 和 TC = 25°C）：14 A

连续漏极电流（VGS 在 10 V 和 TC = 100°C）：19 A

脉冲漏极电流：56 A

最大功耗 (TC = 25°C)：88 W

[R DS（ON）：0.16Ω

使用 MOSFET 执行的模拟都包含在其电气限制内。

图 3：MOSFET IRF530

与感性负载相同的电路

现在让我们检查带有感性负载而不是电阻性负载的相同电路（图 4）。感性负载（电机、变压器、线圈等）的存在非常关键。栅极的每个矩形脉冲对应于漏极上的一个非常高的峰值。这些峰值比之前的峰值要宽得多（长度为几微秒），可以达到几千伏的电压。这些电压尖峰被称为“感应反弹”。显然，它们通常对负载和电路是危险的。也可能出现危险的电弧。如果电压尖峰足够高，则存在损坏 MOSFET 和与其相连的其他组件的风险。为什么会有这些大峰？当MOSFET“导通”时，电流流过电感，情况良好。感性负载储存了感性能量。当晶体管“关断”时，线圈的电流不能瞬间改变，仍有电流流过电感。该电流在短时间内决定了巨大的电位差。但请注意，电路 V(drain) 的输出电压平均值为 12 V，其 RMS 值约为 168 V。

图 4：MOSFET 驱动感性负载。

我们可以看到漏极上的巨大电压尖峰。有时，一个小线圈的小尖峰并不能破坏元件，但如果MOSFET驱动一个大电机，破坏的风险非常高。峰值电压与线圈的电感成正比，如图 5 所示。峰值持续时间约为微秒。

图 5：峰值电压与线圈的电感成正比。

为了降低峰值电压，在 MOSFET 上应用了一个 RC 抑制器，如图 6所示。通常，缓冲器由一个低值电阻器和一个小电容器组成。电阻值必须与电感的谐振值相似。抑制器的电容必须大于谐振电路的电容，但必须足够小，以保持电阻器的功耗最小。R(snub) 和 C(snub) 的值必须用适当的方程仔细计算。

图 6：典型的 RC 抑制器

现在峰值已经从 3,000 V 下降到大约 70 V，从对电子元件的危险的角度来看是无害的。如果负载只是电阻性的，则不需要 RC 抑制器。图 7 显示了另一个使用钳位齐纳二极管的示意图。

图 7：钳位齐纳二极管

同样在这种情况下，峰值将减少。在某些情况下，在某些频率下，可能会出现低振荡（图 8）。在这种情况下，在齐纳二极管上并联一个小电容就足够了。

图 8：MOSFET 漏极上大约 56 kHz 的振荡



审核编辑：刘清