电源设计注意事项：噪声和尖峰

带电阻负载的简单电路

电源开关非常重要。它们的操作决定了产品的可靠性和效率。为了改善开关电路的性能，在功率开关之间放置抑制器来抑制电压峰值，并在开关打开时抑制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，其中作为开关元件的MOSFET驱动一个8Ω的电阻负载（图1）。对MOSFET进行少量加热是完全正常的。如果我们把栅极电位设置为10V，我们就可以把MOSFET切换到“on”状态。在这种情况下，它的内阻很低，元件就像是一根闭合的电线。漏极上的电压接近0伏。电流流过电阻器和MOSFET。

图1:MOSFET驱动电阻负载。

相反地，如果我们在MOSFET的栅极上施加0伏的电压，组件就会切换到“关闭”状态。在这种情况下，它的内阻非常高，就好像电路中没有元件一样。电阻器上没有电流，也没有电压。通过对MOSFET施加频率为1khz的脉冲信号，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，即使连接到电阻负载，也会产生输出峰值，其特征是持续时间很短，如图2所示。这些峰值（约2V）是不危险的，可以减少或消除使用并联电容器。

图2：漏极上的峰值

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：±20伏

连续漏极电流（10 V和TC=25°C下的VGS）：14 A

连续漏极电流（10 V和TC=100°C下的VGS）：19 A

脉冲漏极电流：56A

最大功耗（TC=25°C）：88 W

RDS（开）：0.16Ω

用MOSFET进行的模拟都包含在它的电学极限之内。

图3:MOSFET IRF530

与感应负载相同的电路

现在让我们用感性负载而不是电阻负载来检查相同的电路（图4）。感应负载（电动机、变压器、线圈等）的存在是非常关键的。栅极的每个矩形脉冲对应于漏极上的一个非常高的峰值。这些峰值比以前的宽得多（有几微秒的长度），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，它们可能对负载和电路造成危险。危险的电压电弧也可能出现。如果电压尖峰足够高，就有可能破坏MOSFET和其他与之相连的元件。为什么会有这么大的山峰？当MOSFET“打开”时，电流流过电感，情况良好。感应负载储存了感应能量。当晶体管“关”时，线圈的电流不能立即改变，仍然有电流流过电感器。这个电流决定了几分钟内的电位差很大。但是，请注意，电路V（漏极）的输出电压的平均值为12 V，其RMS值约为168 V。

图4:MOSFET驱动感应负载。

我们可以在漏极上看到巨大的电压尖峰。有时，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。峰值的持续时间以微秒为单位。

图5：峰值电压与线圈电感成正比。

为了降低峰值电压，一个RC抑制器被应用到MOSFET上，如图6所示。通常，缓冲器由一个低值电阻和一个小电容组成。电阻值必须与电感器的谐振电阻值相似。抑制器的电容必须大于谐振电路的电容，但必须足够小，以使电阻器的功耗保持在最小。必须使用适当的方程式仔细计算R（减速）和C（减速）的值。

图6：典型的RC抑制器

现在峰值电压已经从3000伏下降到70伏左右，从电子元件的危险角度来看是无害的。如果负载只有电阻，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

在这种情况下，峰值也会降低。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，只需将一个小电容并联在齐纳二极管上就足够了。

图8:MOSFET漏极上约56khz的振荡