Ecranare electrostatică pentru comutarea adaptoarelor de alimentare

Una dintre cele mai provocatoare specificații în proiectarea adaptoarelor de alimentare cu comutare este reducerea curentului RFI (Interferență de frecvență radio) condus în mod comun la un nivel acceptabil. Acest zgomot condus este cauzat în principal de electricitatea statică parazită și de cuplarea electromagnetică între componentele de comutare a puterii și planul de masă. Planul de masă poate consta din șasiu, dulap sau fir de masă, în funcție de tipul de echipament electronic.

 

Proiectanții adaptoarelor de alimentare cu comutare ar trebui să revizuiască în detaliu întregul aspect, să identifice zonele predispuse la astfel de probleme și să implementeze măsuri de ecranare adecvate în timpul fazei de proiectare. Corectarea designului RFI necorespunzător în etapele ulterioare este adesea dificilă.

 

În majoritatea aplicațiilor, ecranarea electrostatică este necesară oriunde formele de undă de comutare de înaltă frecvență și tensiune înaltă se pot cupla capacitiv cu planul de masă sau ieșirea secundară. Acest lucru este deosebit de important atunci când tranzistoarele de putere comutatoare și diodele redresoare sunt montate pe radiatoare care contactează șasiul principal. În plus, câmpurile magnetice și cuplarea capacitivă pot introduce zgomot în componente sau linii care transportă curenți mari de impulsuri de comutare. Zonele cu probleme potențiale includ redresorul de ieșire, condensatorul de ieșire montat pe șasiu și cuplarea capacitivă între primar, secundar și miezul transformatorului principal de comutare, precum și alte transformatoare de comandă sau de comandă.

 

Când componentele sunt montate pe radiatoare conectate termic la șasiu, cuplarea capacitivă nedorită poate fi atenuată prin plasarea unui scut electrostatic între componenta care interferează și radiatorul. Acest scut, de obicei realizat din cupru, trebuie izolat atât de radiator, cât și de componentă (de exemplu, tranzistor sau diodă). Acesta blochează curenții de curent alternativ cuplati capacitiv, care sunt apoi direcționați către un punct de referință convenabil din circuitul de intrare. Pentru componentele primare, acest punct de referință este de obicei terminalul negativ comun al liniei de alimentare cu curent continuu, lângă dispozitivul de comutare. Pentru componentele secundare, punctul de referință este de obicei terminalul comun unde curentul curge înapoi în partea secundară a transformatorului.

 

Tranzistorul de putere de comutare primar generează forme de undă de impuls de comutare de înaltă tensiune, de înaltă frecvență. Fără o ecranare adecvată între carcasa tranzistorului și șasiu, curenții de zgomot semnificativi se pot cupla prin capacitatea dintre ele. Un scut de cupru plasat în circuit injectează orice curent substanțial în radiatorul prin capacitatea. Radiatorul de căldură, la rândul său, menține o tensiune alternativă de înaltă frecvență relativ mică în ceea ce privește șasiul sau planul de masă. Proiectanții ar trebui să identifice zone cu probleme similare și să aplice ecrane acolo unde este necesar.

 

Pentru a preveni curgerea curenților RF între înfășurările primare și secundare sau între scutul de siguranță primar și împământat, transformatoarele de comutare principale includ de obicei un ecran RFI electrostatic pe cel puțin înfășurarea primară. În unele cazuri, poate fi necesar un scut suplimentar de siguranță între înfășurările primare și secundare. Scuturile electrostatice RFI diferă de scuturile de siguranță prin construcția, locația și conexiunea lor. Standardele de siguranță impun ca scutul de siguranță să se conecteze la planul de masă sau la șasiu, în timp ce scutul RFI este de obicei conectat la circuitul de intrare sau de ieșire. Ecranele EMI și blocurile terminale, realizate din foi subțiri de cupru, transportă doar curenți mici. Cu toate acestea, din motive de siguranță, scutul de siguranță trebuie să reziste de cel puțin trei ori curentul nominal al siguranței de alimentare.

 

În transformatoarele de putere cu comutare offline, scutul RFI este plasat aproape de înfășurările primare și secundare, în timp ce scutul de siguranță este situat între scuturile RFI. Dacă nu este nevoie de scut RFI secundar, scutul de siguranță este poziționat între scutul RFI primar și orice înfășurări de ieșire. Pentru a asigura o izolare adecvată, scutul RFI primar este adesea izolat în curent continuu de linia de alimentare de intrare printr-un condensator în serie, de obicei evaluat la 0.01 μF.

 

Scutul RFI secundar este utilizat numai atunci când este necesară suprimarea maximă a zgomotului sau când tensiunea de ieșire este mare. Acest scut se conectează la terminalul comun al liniei de ieșire. Ecranarea transformatorului trebuie aplicată cu moderație, deoarece crește înălțimea componentelor și dimensiunile înfășurării, ceea ce duce la o inductanță de scurgere mai mare și la degradarea performanței.

 

 

Curenții buclei de scut de înaltă frecvență pot fi semnificativi în timpul tranzitorii de comutare. Pentru a preveni cuplarea la partea secundară prin funcționarea normală a transformatorului, punctul de conectare a ecranului trebuie să fie în centrul său, nu marginile sale. Acest aranjament asigură că curenții buclei de scut cuplate capacitiv curg în direcții opuse pe fiecare jumătate a ecranului, eliminând efectele de cuplare inductivă. În plus, capetele scutului trebuie izolate unele de altele pentru a evita formarea unei bucle închise.

 

Pentru ieșirile de înaltă tensiune, scutul RFI poate fi instalat între diodele redresoare de ieșire și radiatoarele lor. Pentru tensiuni secundare joase, cum ar fi 12 V sau mai mici, scuturile RFI ale transformatorului secundar și scuturile redresorului sunt în general inutile. În astfel de cazuri, plasarea bobinei filtrului de ieșire în circuit poate izola radiatorul diodei de tensiunea RF, eliminând nevoia de ecranare. Dacă dioda și radiatoarele tranzistoarelor sunt complet izolate de șasiu (de exemplu, atunci când sunt montate pe un PCB), ecranarea electrostatică este adesea inutilă.

 

Transformatoarele de ferită flyback și inductoarele de înaltă frecvență au adesea goluri semnificative de aer în calea magnetică pentru a controla inductanța sau pentru a preveni saturația. Aceste goluri de aer pot stoca energie considerabilă, radiind câmpuri electromagnetice (EMI), dacă nu sunt protejate corespunzător. Această radiație poate interfera cu adaptorul de alimentare sau cu echipamentele din apropiere și poate depăși standardele EMI radiate.

 

Radiația EMI din golurile de aer este cea mai mare atunci când miezul exterior este gol sau când golurile sunt distribuite uniform între poli. Concentrarea spațiului de aer în polul mijlociu poate reduce radiația cu 6 dB sau mai mult. O reducere suplimentară este posibilă cu un miez de oală complet închis care concentrează golul din polul mijlociu, deși miezurile de oală sunt rareori utilizate în aplicații offline din cauza cerințelor privind distanța de curgere la tensiuni mai mari.

 

Pentru miezurile cu goluri în jurul stâlpilor perimetrali, un scut de cupru care înconjoară transformatorul poate atenua semnificativ radiația. Acest scut ar trebui să formeze o buclă închisă în jurul transformatorului, centrată pe spațiul de aer și să aibă aproximativ 30% din lățimea bobinei de înfășurare. Pentru a maximiza eficiența, grosimea cuprului ar trebui să fie de cel puțin 0,01 inci.

 

Deși ecranarea este eficientă, aceasta introduce pierderi de curent turbionar, reducând eficiența generală. Pentru golurile de aer periferice, pierderile de scut pot ajunge la 1% din puterea nominală de ieșire a dispozitivului. Spre deosebire, golurile polilor din mijloc provoacă pierderi minime de scut, dar totuși reduc eficiența datorită pierderilor crescute de înfășurare. Prin urmare, ecranarea trebuie utilizată numai atunci când este necesar. În multe cazuri, includerea sursei de alimentare sau a dispozitivului într-o carcasă metalică este suficientă pentru a îndeplini standardele EMI. Cu toate acestea, în dispozitivele terminale de afișare video, ecranarea transformatorului este adesea necesară pentru a preveni interferențele electromagnetice cu fasciculul de electroni CRT.

 

Căldura suplimentară generată în scutul de cupru poate fi disipată printr-un radiator sau redirecționată către șasiu pentru a menține stabilitatea operațională.