PWM+MOS管驱动LED振铃干扰
进行一个高频大功率LED驱动电路的简单测试实验,STM32输出一个PWM给到MOS管,然后LED正极接板子的5V,负极接MOS管的D极,S极接地,在反复拉动亮度条时(调整PWM占空比),使用板子上面5V的一个模块会莫名其妙断电。
使用万用表测试电压,在拉动亮度条时,突然5V对地电压变成0V,赶紧拿来示波器查看MOS管的D极对地波形,发现有很大的振铃现象。
然后在MOS管的D、S间并联一个RC吸收电路(RC Snubber)在高频大电流的开关电路中,作为“尖峰吸收器”、“振铃阻尼器”的角色,保护MOS管以及改善电磁兼容性。
1nf+10Ω这个RC网络也被称之为RC吸收电路或者RC缓冲电路。
作用一:吸收尖峰,保护MOSFET
在高速开关下,MOSFET关断的瞬间,电路中的杂散电感会产生一个极高的电压尖峰,专业上称为“漏感尖峰”。
电容(C)储能:1nF电容会为这个尖峰提供一个低阻抗的泄放通道,迅速吸收尖峰能量,将电压钳位在安全水平,防止MOSFET被击穿。
电阻(R)耗能:10Ω电阻的阻值相对较小,它的任务是将电容吸收过来的尖峰能量以热能的形式消耗掉,而不是让这些能量在电路中来回反弹形成振荡。
作用二:阻尼振铃,降低EMI
开关节点产生的振铃(Ringing)是高频噪声和电磁干扰(EMI)的主要来源。
RC网络作为一个阻尼器,它能有效地“拉住”这个振铃,让电压波形迅速恢复稳定,从而降低电路对外界的电磁干扰。
增加后,效果显著,振铃得到了抑制。
后续设计中,可以把LED正极的24V输入中的0Ω电阻改为47uH的电感,减小纹波电流与尖峰,另外在D、S之间加入一个反向二极管作为续流作用。
在保证LED的负极与外部电源有功率地的同时,为了保障STM32稳定运行,可以将GND_PWR1通过一个并联的R=10K、C=0.1uf的RC网络。
虽然已经在MOS管的D-S间加了10Ω+1nF的吸收电路(专打差模尖峰),但10kΩ电阻上并联0.1µF电容解决的是完全不同的威胁——外部线缆耦合的共模高频噪声。
10kΩ电阻对高频噪声是“断路”:10kΩ对于直流和低频是良好的通道,但对于几百kHz到MHz级别的高频噪声(来自外部开关电源、手机射频、电机火花),它呈现高阻抗。噪声无处可去,会通过寄生电容耦合进板子GND,干扰STM32的ADC或时钟。
0.1µF电容提供“高频泄洪通道”:这颗电容对高频噪声阻抗极低。当外部电源线上有高频尖峰时,它能把噪声短路回外部电源负端,让噪声在进入板子内部之前就被旁路掉。
1nF电容管差模振铃,0.1uF管共模噪声。