Електростатичне екранування для імпульсних адаптерів живлення

Однією з найскладніших специфікацій у конструкції імпульсних адаптерів живлення є зменшення синфазного струму RFI (радіочастотних перешкод) до прийнятного рівня. Цей кондуктивний шум в основному спричинений паразитною статичною електрикою та електромагнітним зв’язком між компонентами перемикання живлення та заземленою поверхнею. Площина заземлення може складатися з шасі, шафи або дроту заземлення, залежно від типу електронного обладнання.

 

Розробники імпульсних адаптерів живлення повинні ретельно переглянути всю схему, визначити області, схильні до таких проблем, і вжити відповідних заходів екранування на етапі проектування. Виправлення неправильного дизайну RFI на наступних стадіях часто буває важко.

 

У більшості застосувань електростатичне екранування необхідне скрізь, де високочастотні сигнали перемикання високої напруги можуть ємнісно з’єднуватися з площиною заземлення або вторинним виходом. Це особливо важливо, коли комутаційні силові транзистори та випрямні діоди встановлені на радіаторах, які контактують з основним шасі. Крім того, магнітні поля та ємнісний зв’язок можуть створювати шуми в компонентах або лініях, що передають великі перемикаючі імпульсні струми. Потенційні проблемні області включають вихідний випрямляч, вихідний конденсатор, встановлений на шасі, і ємнісний зв’язок між первинною, вторинною обмотками та сердечником головного комутаційного трансформатора, а також інших приводних або керуючих трансформаторів.

 

Якщо компоненти встановлено на радіатори, термічно з’єднані з корпусом, небажаний ємнісний зв’язок можна пом’якшити, розмістивши електростатичний екран між компонентом, що створює перешкоди, і радіатором. Цей екран, як правило, зроблений з міді, повинен бути ізольований як від радіатора, так і від компонента (наприклад, транзистора або діода). Він блокує ємнісно зв'язані змінні струми, які потім спрямовуються до зручної опорної точки у вхідному колі. Для первинних компонентів цією опорною точкою зазвичай є загальна негативна клема лінії живлення постійного струму поблизу комутаційного пристрою. Для вторинних компонентів контрольною точкою зазвичай є загальна клема, де струм тече назад до вторинної сторони трансформатора.

 

Первинний перемикаючий силовий транзистор генерує високовольтні високочастотні перемикальні імпульси. Без відповідного екранування між корпусом транзистора та шасі значні шумові струми можуть з'єднуватися через ємність між ними. Мідний екран, розміщений у схемі, вводить будь-який значний струм у радіатор через ємність. Радіатор, у свою чергу, підтримує відносно низьку високочастотну напругу змінного струму щодо шасі або заземлення. Дизайнери повинні визначити подібні проблемні зони та застосувати екранування, де це необхідно.

 

Щоб запобігти проходженню радіочастотних струмів між первинною та вторинною обмотками або між первинним і заземленим захисним екраном, головні комутаційні трансформатори зазвичай містять електростатичний радіочастотний екран принаймні на первинній обмотці. У деяких випадках може знадобитися додатковий захисний екран між первинною і вторинною обмотками. Електростатичні екрани RFI відрізняються від екранів безпеки своєю конструкцією, розташуванням і підключенням. Стандарти безпеки вимагають, щоб захисний екран під’єднувався до заземлюючої панелі або шасі, тоді як екран RFI зазвичай підключається до вхідного або вихідного контуру. Екрани від електромагнітних перешкод і клемні колодки, виготовлені з тонких листів міді, пропускають лише невеликі струми. Однак з міркувань безпеки захисний екран повинен витримувати щонайменше втричі номінальний струм силового запобіжника.

 

У автономних комутаційних силових трансформаторах екран радіочастотних перешкод розташовується поблизу первинної та вторинної обмоток, тоді як захисний екран розташований між екранами радіочастотних перешкод. Якщо вторинний екран від РЧП не потрібен, захисний екран розташовується між первинним екраном від РЧП та будь-якими вихідними обмотками. Щоб забезпечити належну ізоляцію, первинний екран радіочастотних перешкод часто ізольований постійним струмом від вхідної лінії живлення за допомогою послідовного конденсатора, зазвичай номінальним 0,01 мкФ.

 

Вторинний екран радіочастотних перешкод використовується лише тоді, коли потрібне максимальне придушення шуму або коли вихідна напруга висока. Цей екран підключається до загальної клеми вихідної лінії. Екранування трансформатора слід застосовувати економно, оскільки воно збільшує висоту компонента та розміри обмотки, що призводить до підвищення індуктивності витоку та погіршення продуктивності.

 

 

Високочастотні струми екрануючої петлі можуть бути значними під час перехідних процесів комутації. Щоб запобігти підключенню до вторинної сторони під час нормальної роботи трансформатора, точка з’єднання екрана повинна бути в його центрі, а не на краях. Таке розташування гарантує, що струми петлі екрану з ємнісним зв’язком протікають у протилежних напрямках на кожній половині екрана, усуваючи ефекти індуктивного зв’язку. Крім того, кінці щита повинні бути ізольовані один від одного, щоб уникнути утворення замкнутого контуру.

 

Для виходів високої напруги екран RFI можна встановити між діодами вихідного випрямляча та їхніми радіаторами. Для низьких вторинних напруг, таких як 12 В або нижче, екрани вторинного трансформатора RFI та екрани випрямляча зазвичай непотрібні. У таких випадках розміщення дроселя вихідного фільтра в схемі може ізолювати радіатор діода від радіочастотної напруги, усуваючи потребу в екрануванні. Якщо радіатори діодів і транзисторів повністю ізольовані від шасі (наприклад, при встановленні на друкованій платі), електростатичне екранування часто непотрібне.

 

Феритові трансформатори зворотного ходу та високочастотні котушки індуктивності часто мають значні повітряні зазори в магнітному тракті для контролю індуктивності або запобігання насичення. Ці повітряні проміжки можуть зберігати значну енергію, випромінюючи електромагнітні поля (EMI), якщо вони не екрановані належним чином. Це випромінювання може створювати перешкоди для імпульсного адаптера живлення або обладнання, розташованого поруч, і може перевищувати стандарти випромінюваного електромагнітного перешкод.

 

Електромагнітне випромінювання від повітряних проміжків є найбільшим, коли зовнішнє ядро ​​має проміжки або коли проміжки рівномірно розподілені між полюсами. Концентрація повітряного проміжку в середньому полюсі може зменшити випромінювання на 6 дБ або більше. Подальше зменшення можливе за допомогою повністю закритого горщикового сердечника, який зосереджує проміжок у середньому полюсі, хоча горщикові сердечники рідко використовуються в офлайн-додатках через вимоги до шляху витоку при вищих напругах.

 

Для сердечників із зазорами навколо полюсів по периметру мідний екран, що оточує трансформатор, може значно послабити випромінювання. Цей екран має утворювати замкнутий контур навколо трансформатора з центром у повітряному зазорі та становити близько 30% ширини шпульки обмотки. Для досягнення максимальної ефективності товщина міді повинна бути не менше 0,01 дюйма.

 

Хоча екранування ефективне, воно створює втрати на вихрові струми, знижуючи загальну ефективність. Для периферійних повітряних проміжків втрати в екрані можуть досягати 1% від номінальної вихідної потужності пристрою. Зазори серед полюсів, навпаки, викликають мінімальні втрати в екрані, але все одно знижують ефективність через збільшення втрат в обмотці. Тому екранування слід використовувати лише за необхідності. У багатьох випадках блок живлення або пристрій у металевому корпусі є достатнім для відповідності стандартам EMI. Однак у термінальних пристроях відеодисплея часто потрібне екранування трансформатора, щоб запобігти електромагнітним перешкодам електронного променя ЕПТ.

 

Додаткове тепло, що виділяється в мідному екрані, може розсіюватися через радіатор або перенаправлятися на шасі для підтримки стабільності роботи.