详解PWM开关稳压电源的尖峰干扰

引言

PWM（PulseWidthmodulation）型开关稳压电源具有体积小、效率高的优点，作为电源设备在许多领域得到了广泛的应用。但是，开关三极管的工作状态转换持续期短、频谱甚宽的尖峰干扰是其致命弱点，它不仅影响开关电源本身，而且还会干扰邻近的其它电子设备。

开关稳压电源工作时开关三极管和续流二极管（亦可以是另一个开关三极管）总是交替地导通或者截止，图1中KQ和KD并非是理想器件，两种状态的转换需要一定的时间，这就产生了尖峰干扰。在状态转变过程中，该导通的开关没有完全导通，而该截止的开关却又没有截止的瞬间，电源到地有直接的通路，产生瞬态电流Is.该电流跟开关三极管导通时的电流Imax及截止时的电流Icmin的差值、开关KQ和KD同时导通的持续时间等因素有关。由于电路分布参数的影响，在波形上出现振铃振荡。

图1瞬态电流

功率开关管瞬时导通的持续时间对尖峰干扰的影响

晶体管的开启和关断时间跟其截止频率成反比。开启、关断时间越短，开关速度就越快。同时导通的持续时间取决于KQ和KD所使用的器件的开关速度。用速度不同的开关器件比较，开关器件的速度越快，同时导通的持续时间越短，尖峰干扰越是宽度窄、幅度大。

减小变压器漏感引起的电压尖峰

变压器的漏感越大，电压尖峰越高，射频干扰也就越大。特别是变压器采取屏蔽后，由于耦合差，漏感也相应大一些。一般说，用环型磁芯绕制的变压器产生的漏感要比E型小些。另外，绕线工艺也很重要，较好的绕线方式是先绕初级总圈数的一半，再绕次级的全部圈数，最后再绕初级的剩余一半，即次级线圈在初级线圈的中间。这样初级线圈保持有较好的耦合，使变压器有较小的漏感。

功率管的开关波形对尖峰干扰的影响与抑制

开关波形Usr（t）的方正度影响尖峰干扰。矩形波的谐波幅度随频率增加而减小的速率为20dB十倍频程，梯形波则为40dB？十倍频程。有意识地改变矩形波的陡峭程度和两角的钝化程度可抑制高频分量、减小尖峰干扰。故要合理地选择开关三极管和续流二极管的开关速度。

对开关三极管而言，有两种方法可减小尖峰干扰，即增大Vce的上升时间和减小Ic的下降时间。图2电路中，在确定了KQ之后，可从图3看出，增大KD的开启时间、减小关断时间可以减小尖峰干扰。

图2开关KD的速度

在开关三极管的CE之间，或者在续流二极管的两端并联RC缓冲电路可使尖峰干扰明显减小。图3中，三极管T关断时，集电极电压上升，通过D和R1对C充电，使其上升速率变缓，选择充电常数CR1的值可以控制上升速率。T导通时，D截止，C对R1和R2放电，限制了导通瞬间的峰值电流。该缓冲电路改变了负载线的形状，减少了开关三极管的损耗。在续流二极管两端并上RC电路也同样有效。图3中，当用3DD11和2CK120C时，可并0.022LF左右的电容器（f=2kHz），该电容的容量有一最佳值，它的作用可以从图4看出。图4（a）是不加C的情况，将其在时间轴上放大后为图4（b）。并上缓冲电容后分别见图4（c）和（d）。

图3

在输入电网中，部噪声的抑制方法

开关稳压电源中开关快速通断，didt很大，在供电系统的漏电感上产生幅度很大的瞬态压降，使输入电压源有一个时间很短的瞬时跌落，破坏电网的正常波形、形成干扰。输入电源中的干扰也会影响开关稳压电源。输入滤波器具有一定的隔离作用，通常采用P型LC平衡滤波器，对脉动干扰可以衰减20dB，尖峰干扰也能衰减6dB之多。电感量的计算式：

式中E尖峰是尖峰干扰电压（Vp-p），f尖峰是尖峰干扰的频率（Hz）。还应考虑到流过电感的直流电流值，以免饱和。

Isr是开关稳压电源的最大输入直流电流（A），Usr是输入直流电压（V）。用市电供电的电源系统，滤波器应装在一铝质密封小盒内，小盒放在机箱内，电源线进入孔的旁边，使电源线一进入机箱就到滤波小盒，然后再引出至电源开关、整流器。倘若在整流器之前采用变压器，则应在其初、次级加隔离。

输出电容器对尖峰干扰的影响

开关稳压电源的输出电容量大，需用电解电容器。普通电解电容的高频特性不好，存在着较大的等效电感和电阻，故阻抗大，尖峰噪音也大。高频电解电容器是具有优良高频特性的低电感器件，它对脉冲源及输出电压提供了很好的与接地回路的隔离，并提供良好的噪声滤波。

目前有三种高频电解电容器，一种是四端电容器，它的高频特性良好，但是负载电流流过电容器内部使之发热，故电流要限制在10A以下；二是大型高频滤波电解电容器，它有承受大电流的能力但高频特性不及前者好；第三种是高频滤波电解电容器，优点是体积小。不改变电路的其它参数，假若用普通电解电容器时尖峰干扰为150mVp-p，而用四端电容则为50mVp-p.用一定容量的聚碳酸脂电容或高频陶瓷电容跟输出电解电容并联，可以进一步降低尖峰干扰。