開關電源的尖峰抑制

　　1 引言

　　電源紋波會干擾電子設備的正常工作，引起諸如計算機死機、數據處理出錯及控制系統失靈等故障，給生產和科研釀成難以估量的損失，因此必須采取措施加以抑制。

　　產生尖峰的原因很多，以下著重說明濾波電路對二極管反向恢復時間所產生的紋波尖峰加以分析，并總結出幾種有效的抑制措施。

　　2 濾波電路

　　為減小電源尖峰干擾需要在電源進線端和電源輸出線端分別加入濾波電路。

　　2.1 電源進線端濾波器

　　在電源進線端通常采用如圖1 所示電路。該電路對共模和差模紋波干擾均有較好抑制作用。

　　圖中各元器件的作用：

　　（1）L1L2C1 用于濾除差模干擾信號。

　　L1L2 磁芯面積不宜太小，以免飽和。電感量幾毫亨至幾十毫亨。C1 為電源跨接電容，又稱X 電容。

　　用陶瓷電容或聚脂薄膜電容效果更好。電容量取0.22μF～0.47μF。

　　（2）L3，L4，C2，C3 用于濾除共模干擾信號。

　　L3，L4 要求圈數相同，一般取10，電感量2mH 左右。

　　C2，C3 為旁路電容，又稱Y 電容。電容量要求2200pF 左右。

　　電容量過大，影響設備的絕緣性能。

　　在同一磁芯上繞兩個匝數相等的線圈。電源往返電流在磁芯中產生大小相等、方向相反的磁通。故對差模信號電感L3、L4 不起作用（見圖2），但對于相線與地線間共模信號，呈現為一個大電感。其等效電路如圖3 所示。

　由等效電路知：

　　一般wL 》Rl，則：|UN/US|=0表明，對共模信號Ug 而言，共模電感呈現很大的阻抗。

　　2.2 輸出端濾波器

　　輸出端濾波器大都采用LC 濾波電路。其元件選擇一般資料中均有。為進一步降低紋波，需加入二次LC 濾波電路。LC 濾波電路中L 值不宜過大，以免引起自激，電感線圈一般以1～2 匝為宜。電容宜采用多只并聯的方法，以降低等效串聯電阻。同時采樣回路中要加入RC 前饋采樣網絡。

　　如果加入濾波器后，效果仍不理想，則要詳細檢查公共地線的長度、線徑是否合適。因為地線分布電感對抑制紋波極為不利。

　　導線長度l，線徑d 與其電感量的關系為：

L(μH)=0.002l[ln（4l/d)－1](2)

　　3 二極管反向恢復時間引起之尖峰及其抑制

　　以單端反激電源為例（見圖4）Us 為方波，幅值為Um。功率管V 截止時，VD1 導通，而VD2 截止。但當V 導通時，Us 極性反轉。

　　VD2 導通，由于二極管之反向恢復特性，VD1 不能立即截止，而是VD1，VD2 同時導通。從而激起一個很大的電流尖峰。

　　（1）VD1 反向恢復前期等效電路如圖5 所示。圖中：R0 為次級繞線電阻，引線電阻及二極管導通電阻之和；L0 為變壓器漏感和引線電感之和。

　　由等效電路可得：

i=Um/R0[1－e－(R0/L0)t](3)

　　假定R0=0.235Ω，L0=0.13μHUm=23V，而電流在0.3μs 內達到Im 則可求出Im=41A。如此大的電流尖峰，若不加以抑制勢必損壞器件。

　　（2）VD1 在反向恢復后期，接近關斷狀態，等效為一個結電容CD1：

　　由圖6 知CD1 兩端電壓UC（t）為：

　　從以上各式看出，UC（t）是在Um 基礎上疊加一個Uoe－atsin（ωt＋θ）的正弦衰減振蕩。在VD1 兩端激起一個電壓尖峰。

　　（3）由以上分析可看出，在反向恢復期間，由于二極管的反向恢復特性，二極管的電流不能突變。此效應與一個電感等效。為了抑制二極管尖峰，需在二極管兩端并聯電容C或RC 緩沖網絡。

　　RC 網絡的取值原則：C 從0.01μF～0.1μF，由實驗決定。串聯電阻用于限制電容C 的放電電流，也為了阻止由于回路阻抗而引起的共振，起阻尼作用。一般按下式選取：

U0/I0≤R≤(R 不宜小于4Ω) (7)

　　4 幾種噪聲波的形成及抑制措施

　　圖7 給出幾種常見噪聲波形。現對這些噪聲波的形成原因及相應的抑制措施簡述如下：

　　（1）噪聲波形如圖7（a）所示。

　　形成原因：輔助電源或基準電壓穩定性不夠所致。抑制措施：在相關部位并大電容。

　　（2）噪聲波如圖7（b）所示。

　　形成原因：布線不合理，引起交叉干擾。抑制措施：調整布線。

　　（3）噪聲波形如圖7（c）所示。

　　形成原因：由于變壓器漏磁對采樣形成干擾而引起自激，導致出現正弦振蕩。抑制措施：變壓器要適當加以屏蔽，且屏蔽層要接地。改進變壓器繞制工藝。

　　（4）噪聲波形如圖7（d）所示。幅值變化隨機、無規則。

　　形成原因：在于采樣電阻所加電壓過高或印制板絕緣不良。抑制措施：改進采樣。

　　（5）噪聲波形如圖7（e）所示。

　　形成原因：整流二極管反向恢復期間引起的尖峰。抑制措施：在二極管上并電容C 或RC。

　　5 結語

　　本文所述幾種方法已成功地運用于我公司的產品PM48－25 上。但由于產生尖峰干擾原因很多，因而其抑制措施也要視具體情況而定。只要對具體電路作出具體分析，找出干擾源，采取相應的抑制措施，就能取得較好的抑制效果。