在实际电路连线中,由于工艺的关系,电路的输入回路至开关管V的集电极和发射极之间的导线上存在一定的杂散电感,等效于LS。在V导通时,输入电流iI经过LS,产生一个感应电流ULS,极性为左正右负。V关断期间,电流将迅速减小至零,导致产生很大的di/dt,LS上产生很高的ULS,极性变为左负右正,加在V的集电极和发射极上,致使V管两端产生很高的电流尖峰。由于LS的存在,在输入电流一定的情况下,开关管V的关断速度越快,或者开关管的关断速度一定的情况下,输入电流越大,电流尖峰越大。
显然LS限制了电源功率等级和开关频率的进一步提高。由此产生的电流尖峰对开关管V危害很大,它会使V的关断损耗增加,整机效率降低,加大传导噪声(EMI),甚至损坏开关管,因此必须消除。
输出级的 T3、T4 管短设计内同时导通。在与非门由输出低电平转向高电平的过程中,输入电压的负跳变在 T2 和 T3 的基极回路内产生很大的反向驱动电流,由于 T3 的饱和深度设计得比 T2 大,反向驱动电流将使 T2 首先脱离饱和而截止。T2 截止后,其集电极电位上升,使 T4 导通。可是此时 T3 还未脱离饱和,因此在极短得设计内 T3 和 T4 将同时导通,从而产生很大的 ic4,使电源电流形成尖峰电流。图中的 R4 正是为了限制此尖峰电流而设计。
低功耗型 TTL 门电路中的 R4 较大,因此其尖峰电流较小。当输入电压由低电平变为高电平时,与非门输出电平由高变低,这时 T3、T4 也可能同时导通。但当 T3 开始进入导通时,T4 处于放大 状态,两管的集-射间电压较大,故所产生的尖峰电流较小,对电源电流产生的影响相对较小。
产生尖峰电流的另一个原因是负载电容的影响。与非门输出端实际上存在负载电容 CL,当门的输出由低转换到高时,电源电压由 T4 对电容 CL 充电,因此形成尖峰电流。
当与非门的输出由高电平转换到低电平时,电容 CL 通过 T3 放电。此时放电电流不通过电源,故 CL 的放电电流对电源电流无影响。
产生尖峰电流的主要原因包括:
1. 启动电流:在某些机电设备(如电动机、压缩机、泵等)的启动过程中,需要额外消耗电能,产生启动电流,往往比常规工作时的电流大数倍,导致短时间内电路中产生尖峰电流。
2. 过电压:在电路开关突然断开或合上时,电感元件、电容元件内部会产生过电压,从而导致电路中短时间内产生尖峰电流。
3. 放电:在电容元件或电源中的充电状态下,突然断开电源,则电容器会放出储存的电量,从而使电路中产生瞬间的尖峰电流。
4. 短路:在电路中出现短路,瞬间形成低阻抗通路,会导致大量电流涌入短路处,形成尖峰电流。
5. 变电所电容器开关操作:在电容器开关关闭时,电容器内部的电荷将转移到变压器的两个绕组之间,使得整个电路的阻抗瞬间降低,导致电路中产生瞬间的尖峰电流。
综上所述,产生尖峰电流的原因比较多,并且在不同的场合中也会有所不同。为了避免电路中产生尖峰电流,我们需要采取适当的措施,如选用适应性更好的电力设备,进行电路设计和开发,以及加装适应性更好的保护电路等。