電源設(shè)計說明：噪聲和尖峰

在本教程中，我們將看到一個涉及電感負載的噪聲和尖峰的模擬。RC 網(wǎng)絡(luò)或二極管可以節(jié)省您的 MOSFET 和電路。使用的主要電子軟件是 LTspice，這是一種高性能 SPICE 仿真軟件、原理圖捕獲和波形查看器，具有增強功能和模型，可簡化模擬電路的仿真。

帶阻性負載的簡單電路

電源開關(guān)非常重要。它們的運行決定了產(chǎn)品的可靠性和效率。為了提高開關(guān)電路的性能，在電源開關(guān)之間放置抑制器以抑制電壓峰值并抑制開關(guān)打開時電路電感引起的振蕩。良好的抑制器設(shè)計可以帶來更高的可靠性、更高的效率和更少的電磁干擾 (EMI)。讓我們從一個簡單的電路開始，其中用作開關(guān)元件的 MOSFET 驅(qū)動 8 Ω 電阻負載（圖 1）。MOSFET 的小幅發(fā)熱是完全正常的。如果我們將柵極電位設(shè)置為 10 V，我們可以將 MOSFET 切換到“導通”狀態(tài)。在這種情況下，它的內(nèi)阻非常低，元件就像是一條閉路電線。

圖 1：MOSFET 驅(qū)動電阻負載。

相反，如果我們在 MOSFET 的柵極上施加 0 V 電壓，則該組件會切換到“關(guān)斷”狀態(tài)。在這種情況下，它的內(nèi)阻非常高，就好像電路中沒有該元件一樣。電阻上沒有電流流過，電阻上也沒有電壓。通過以 1 kHz 的頻率向 MOSFET 施加脈沖信號，漏極輸出遵循與柵極相同的波形，但具有相位反轉(zhuǎn)。對于許多類型的開關(guān)設(shè)備，即使連接到阻性負載，也會產(chǎn)生輸出峰值，其特點是持續(xù)時間非常短，如圖 2 所示。這些峰值（約 2 V）并不危險，可以降低或降低通過使用并聯(lián)電容器消除。

圖 2：排水管上的峰值

使用的 MOSFET 是 IRF530（圖 3）。讓我們來看看它的絕對最大額定值：

VDS：100 伏

VGS：±20V

連續(xù)漏極電流（VGS 在 10 V 和 TC = 25°C）：14 A

連續(xù)漏極電流（VGS 在 10 V 和 TC = 100°C）：19 A

脈沖漏極電流：56 A

最大功耗 (TC = 25°C)：88 W

[R DS（ON）：0.16Ω

使用 MOSFET 執(zhí)行的模擬都包含在其電氣限制內(nèi)。

圖 3：MOSFET IRF530

與感性負載相同的電路

現(xiàn)在讓我們檢查帶有感性負載而不是電阻性負載的相同電路（圖 4）。感性負載（電機、變壓器、線圈等）的存在非常關(guān)鍵。柵極的每個矩形脈沖對應(yīng)于漏極上的一個非常高的峰值。這些峰值比之前的峰值要寬得多（長度為幾微秒），可以達到幾千伏的電壓。這些電壓尖峰被稱為“感應(yīng)反彈”。顯然，它們通常對負載和電路是危險的。也可能出現(xiàn)危險的電弧。如果電壓尖峰足夠高，則存在損壞 MOSFET 和與其相連的其他組件的風險。為什么會有這些大峰？當MOSFET“導通”時，電流流過電感，情況良好。感性負載儲存了感性能量。當晶體管“關(guān)斷”時，線圈的電流不能瞬間改變，仍有電流流過電感。該電流在短時間內(nèi)決定了巨大的電位差。但請注意，電路 V(drain) 的輸出電壓平均值為 12 V，其 RMS 值約為 168 V。

圖 4：MOSFET 驅(qū)動感性負載。

我們可以看到漏極上的巨大電壓尖峰。有時，一個小線圈的小尖峰并不能破壞元件，但如果MOSFET驅(qū)動一個大電機，破壞的風險非常高。峰值電壓與線圈的電感成正比，如圖 5 所示。峰值持續(xù)時間約為微秒。

圖 5：峰值電壓與線圈的電感成正比。

為了降低峰值電壓，在 MOSFET 上應(yīng)用了一個 RC 抑制器，如圖 6所示。通常，緩沖器由一個低值電阻器和一個小電容器組成。電阻值必須與電感的諧振值相似。抑制器的電容必須大于諧振電路的電容，但必須足夠小，以保持電阻器的功耗最小。R(snub) 和 C(snub) 的值必須用適當?shù)姆匠套屑氂嬎恪?/p>

圖 6：典型的 RC 抑制器

現(xiàn)在峰值已經(jīng)從 3,000 V 下降到大約 70 V，從對電子元件的危險的角度來看是無害的。如果負載只是電阻性的，則不需要 RC 抑制器。圖 7 顯示了另一個使用鉗位齊納二極管的示意圖。

圖 7：鉗位齊納二極管

同樣在這種情況下，峰值將減少。在某些情況下，在某些頻率下，可能會出現(xiàn)低振蕩（圖 8）。在這種情況下，在齊納二極管上并聯(lián)一個小電容就足夠了。

圖 8：MOSFET 漏極上大約 56 kHz 的振蕩



審核編輯：劉清