Електростатично екраниране за превключващи захранващи адаптери

Една от най-предизвикателните спецификации при проектирането на превключващи захранващи адаптери е намаляването на тока на RFI (радиочестотни смущения) в общ режим до приемливо ниво. Този проведен шум се причинява главно от паразитно статично електричество и електромагнитно свързване между компонентите за превключване на захранването и заземяващата повърхност. Заземителната равнина може да се състои от шасито, корпуса или заземяващия проводник в зависимост от вида на електронното оборудване.

 

Проектантите на превключващи захранващи адаптери трябва да прегледат щателно цялото оформление, да идентифицират области, склонни към подобни проблеми, и да приложат подходящи мерки за екраниране по време на фазата на проектиране. Коригирането на неправилен RFI дизайн на по-късни етапи често е трудно.

 

В повечето приложения електростатичното екраниране е необходимо навсякъде, където високочестотни, високоволтови превключващи вълни могат да се свържат капацитивно със заземителната равнина или вторичния изход. Това е особено важно, когато превключващите мощностни транзистори и токоизправителните диоди са монтирани на радиатори, които контактуват с основното шаси. Освен това магнитните полета и капацитивното свързване могат да внесат шум в компоненти или линии, пренасящи големи превключващи импулсни токове. Потенциалните проблемни области включват изходния токоизправител, изходния кондензатор, монтиран на шасито, и капацитивното свързване между първичната, вторичната и сърцевината на главния превключващ трансформатор, както и други задвижващи или управляващи трансформатори.

 

Когато компонентите са монтирани на радиатори, термично свързани с шасито, нежеланото капацитивно свързване може да бъде смекчено чрез поставяне на електростатичен щит между смущаващия компонент и радиатора. Този щит, обикновено направен от мед, трябва да бъде изолиран както от радиатора, така и от компонента (напр. транзистор или диод). Той блокира капацитивно свързани AC токове, които след това се насочват към удобна референтна точка във входната верига. За първичните компоненти тази референтна точка обикновено е общият отрицателен извод на захранващата линия за постоянен ток, близо до превключващото устройство. За вторичните компоненти референтната точка обикновено е общият терминал, където токът тече обратно към вторичната страна на трансформатора.

 

Първичният превключващ мощен транзистор генерира високоволтови, високочестотни превключващи импулсни вълни. Без подходящо екраниране между корпуса на транзистора и шасито, значителни шумови токове могат да се свържат през капацитета между тях. Меден екран, поставен във веригата, инжектира значителен ток в радиатора чрез капацитет. Радиаторът, от своя страна, поддържа относително малко високочестотно променливо напрежение по отношение на шасито или заземяващата равнина. Проектантите трябва да идентифицират подобни проблемни области и да приложат екраниране, където е необходимо.

 

За да се предотврати протичането на RF токове между първичната и вторичната намотка или между първичния и заземения предпазен щит, главните превключващи трансформатори обикновено включват електростатичен RFI щит поне на първичната намотка. В някои случаи може да е необходим допълнителен предпазен щит между първичната и вторичната намотка. Електростатичните екрани за RFI се различават от предпазните екрани по своята конструкция, местоположение и връзка. Стандартите за безопасност изискват предпазният щит да се свързва към заземяващата равнина или шасито, докато RFI щитът обикновено е свързан към входната или изходната верига. EMI екрани и клемни блокове, изработени от тънки медни листове, пренасят само малки токове. Въпреки това, от съображения за безопасност, предпазният щит трябва да издържа най-малко три пъти номиналния ток на захранващия предпазител.

 

При офлайн превключващи силови трансформатори RFI щитът е поставен близо до първичната и вторичната намотка, докато предпазният щит е разположен между RFI щитовете. Ако не е необходим вторичен RFI щит, предпазният щит се поставя между първичния RFI щит и всички изходни намотки. За да се осигури подходяща изолация, първичният щит за RFI често е изолиран от постоянен ток от входната захранваща линия чрез сериен кондензатор, обикновено с номинал 0,01 μF.

 

Вторичният RFI щит се използва само когато е необходимо максимално потискане на шума или когато изходното напрежение е високо. Този щит се свързва към общия терминал на изходната линия. Екранирането на трансформатора трябва да се прилага пестеливо, тъй като увеличава височината на компонента и размерите на намотката, което води до по-висока индуктивност на утечка и влошаване на производителността.

 

 

Високочестотните токове в контура на екрана могат да бъдат значителни по време на преходни процеси при превключване. За да се предотврати свързването към вторичната страна при нормалната работа на трансформатора, точката на свързване на екрана трябва да бъде в неговия център, а не в краищата му. Това разположение гарантира, че капацитивно свързаните контурни токове на екрана протичат в противоположни посоки на всяка половина на екрана, елиминирайки индуктивните ефекти на свързване. Освен това краищата на щита трябва да бъдат изолирани един от друг, за да се избегне образуването на затворен контур.

 

За високоволтови изходи RFI щитът може да се монтира между изходните токоизправителни диоди и техните радиатори. За ниски вторични напрежения, като 12 V или по-ниски, екраните за RFI на вторичния трансформатор и екраните на токоизправителя обикновено не са необходими. В такива случаи поставянето на дросела на изходния филтър във веригата може да изолира диодния радиатор от радиочестотно напрежение, елиминирайки необходимостта от екраниране. Ако диодните и транзисторните радиатори са напълно изолирани от шасито (напр. когато са монтирани на печатна платка), електростатичното екраниране често е ненужно.

 

Феритните обратни трансформатори и високочестотните индуктори често имат значителни въздушни междини в магнитния път, за да контролират индуктивността или да предотвратят насищане. Тези въздушни междини могат да съхраняват значителна енергия, излъчваща електромагнитни полета (EMI), освен ако не са адекватно екранирани. Това излъчване може да попречи на превключващия захранващ адаптер или близкото оборудване и може да надхвърли стандартите за излъчвани EMI.

 

EMI излъчването от въздушните междини е най-голямо, когато външната сърцевина е празнина или когато празнините са равномерно разпределени между полюсите. Концентрирането на въздушната междина в средния полюс може да намали радиацията с 6 dB или повече. По-нататъшно намаляване е възможно с напълно затворена пот сърцевина, която концентрира празнината в средния полюс, въпреки че пот ядрата рядко се използват в офлайн приложения поради изискванията за път на пълзене при по-високи напрежения.

 

За сърцевини с празнини около полюсите по периметъра, меден екран, обграждащ трансформатора, може значително да намали радиацията. Този щит трябва да образува затворен контур около трансформатора, центриран върху въздушната междина, и да бъде около 30% от ширината на калерчето за навиване. За да се постигне максимална ефективност, дебелината на медта трябва да бъде най-малко 0,01 инча.

 

Докато екранирането е ефективно, то въвежда загуби от вихрови токове, намалявайки общата ефективност. За периферни въздушни междини загубите в екрана могат да достигнат 1% от номиналната изходна мощност на устройството. Междуполюсните междини, напротив, причиняват минимални загуби в екрана, но все пак намаляват ефективността поради увеличените загуби на намотките. Следователно екранирането трябва да се използва само когато е необходимо. В много случаи затварянето на захранващия блок или устройството в метален корпус е достатъчно, за да отговарят на стандартите за EMI. Въпреки това, в терминалните устройства за видеодисплей често се изисква екраниране на трансформатора, за да се предотвратят електромагнитни смущения с електронния лъч на CRT.

 

Допълнителната топлина, генерирана в медния щит, може да бъде разсеяна чрез радиатор или пренасочена към шасито, за да се поддържа оперативна стабилност.