Elektrostatisk afskærmning til at skifte strømadaptere

En af de mest udfordrende specifikationer i designet af skiftende strømadaptere er at reducere den common-mode ledede RFI (Radio Frequency Interference) strøm til et acceptabelt niveau. Denne ledede støj er hovedsageligt forårsaget af parasitisk statisk elektricitet og elektromagnetisk kobling mellem strømskiftende komponenter og jordplanet. Jordplanet kan bestå af chassiset, kabinettet eller jordledningen, afhængigt af typen af ​​elektronisk udstyr.

 

Designere af skiftende strømadaptere bør grundigt gennemgå hele layoutet, identificere områder, der er tilbøjelige til sådanne problemer, og implementere passende afskærmningsforanstaltninger under designfasen. Det er ofte vanskeligt at rette forkert RFI-design i senere faser.

 

I de fleste applikationer er elektrostatisk afskærmning nødvendig, hvor højfrekvente højspændingskoblingsbølgeformer kan kobles kapacitivt med jordplanet eller sekundær output. Dette er især vigtigt, hvor koblingseffekttransistorer og ensretterdioder er monteret på køleplader, der er i kontakt med hovedchassiset. Derudover kan magnetiske felter og kapacitiv kobling introducere støj i komponenter eller ledninger, der bærer store koblingsimpulsstrømme. Potentielle problemområder omfatter udgangsensretteren, udgangskondensatoren monteret på chassiset og kapacitiv kobling mellem primær-, sekundær- og kerne af hovedomskiftningstransformatoren samt andre drev- eller styretransformere.

 

Når komponenter er monteret på køleplader, der er termisk forbundet til chassiset, kan uønsket kapacitiv kobling afbødes ved at placere en elektrostatisk skærm mellem den forstyrrende komponent og kølepladen. Dette skjold, typisk lavet af kobber, skal være isoleret fra både kølepladen og komponenten (f.eks. transistor eller diode). Den blokerer kapacitivt koblede AC-strømme, som derefter ledes til et bekvemt referencepunkt i indgangskredsløbet. For primære komponenter er dette referencepunkt typisk den fælles negative terminal på DC-strømforsyningsledningen nær omskifterenheden. For sekundære komponenter er referencepunktet normalt den fælles terminal, hvor strømmen løber tilbage til transformatorens sekundære side.

 

Den primære koblingseffekttransistor genererer højspændings-, højfrekvente koblingspulsbølgeformer. Uden tilstrækkelig afskærmning mellem transistorhuset og chassiset kan betydelige støjstrømme kobles gennem kapacitansen mellem dem. En kobberskærm placeret i kredsløbet sprøjter enhver væsentlig strøm ind i kølepladen via kapacitans. Kølepladen opretholder til gengæld en relativt lille højfrekvent vekselspænding vedrørende chassiset eller stelplanet. Designere bør identificere lignende problemområder og anvende afskærmning, hvor det er nødvendigt.

 

For at forhindre RF-strømme i at flyde mellem primære og sekundære viklinger eller mellem den primære og jordede sikkerhedsskærm, omfatter hovedafbrydertransformatorer typisk en elektrostatisk RFI-skærm på i det mindste primærviklingen. I nogle tilfælde kan der være behov for et ekstra sikkerhedsskjold mellem de primære og sekundære viklinger. Elektrostatiske RFI-skærme adskiller sig fra sikkerhedsskærme i deres konstruktion, placering og forbindelse. Sikkerhedsstandarder kræver, at sikkerhedsskærmen forbindes til stelplanet eller chassiset, mens RFI-skjoldet normalt er forbundet til input- eller outputkredsløbet. EMI-skærme og klemrækker, lavet af tynde kobberplader, bærer kun små strømme. Af sikkerhedsmæssige årsager skal sikkerhedsskærmen dog tåle mindst tre gange strømsikringens mærkestrøm.

 

I offline skiftende krafttransformatorer er RFI-skærmen placeret tæt på de primære og sekundære viklinger, mens sikkerhedsskærmen er placeret mellem RFI-skærmene. Hvis der ikke er behov for sekundær RFI-skærm, placeres sikkerhedsskærmen mellem den primære RFI-skærm og eventuelle udgangsviklinger. For at sikre korrekt isolation er den primære RFI-afskærmning ofte DC-isoleret fra indgangsstrømledningen via en seriekondensator, typisk vurderet til 0.01 μF.

 

Den sekundære RFI-skærm bruges kun, når der kræves maksimal støjdæmpning, eller når udgangsspændingen er høj. Denne skærm forbindes til den fælles terminal på udgangslinjen. Transformatorafskærmning bør anvendes sparsomt, da det øger komponenthøjde og viklingsdimensioner, hvilket fører til højere lækageinduktans og ydeevneforringelse.

 

 

Højfrekvente skærmsløjfestrømme kan være betydelige under koblingstransienter. For at forhindre kobling til sekundærsiden gennem transformerens normale drift, skal skærmforbindelsespunktet være i midten, ikke i kanterne. Dette arrangement sikrer, at de kapacitivt koblede skærmsløjfestrømme flyder i modsatte retninger på hver halvdel af skærmen, hvilket eliminerer induktive koblingseffekter. Derudover skal enderne af skjoldet være isoleret fra hinanden for at undgå at danne en lukket løkke.

 

For højspændingsudgange kan RFI-skærmen installeres mellem udgangsensretterdioderne og deres køleplader. For lave sekundære spændinger, såsom 12V eller lavere, er sekundære transformator-RFI-skærme og ensretterskærme generelt unødvendige. I sådanne tilfælde kan placering af udgangsfilterdroslen i kredsløbet isolere diodekølepladen fra RF-spænding, hvilket eliminerer behovet for afskærmning. Hvis dioden og transistorens køleplader er fuldstændig isoleret fra chassiset (f.eks. når de er monteret på et printkort), er elektrostatisk afskærmning ofte unødvendig.

 

Ferrittilbageslagstransformatorer og højfrekvente induktorer har ofte betydelige luftspalter i den magnetiske vej for at kontrollere induktansen eller forhindre mætning. Disse luftspalter kan lagre betydelig energi og udstråle elektromagnetiske felter (EMI), medmindre de er tilstrækkeligt afskærmet. Denne stråling kan interferere med strømadapteren eller udstyr i nærheden og kan overskride udstrålede EMI-standarder.

 

EMI-stråling fra luftspalter er størst, når den ydre kerne er spaltet, eller når hullerne er jævnt fordelt mellem polerne. Koncentrering af luftspalten i midterpolen kan reducere strålingen med 6 dB eller mere. Yderligere reduktion er mulig med en fuldt lukket pottekerne, der koncentrerer mellemrummet i midterpolen, selvom pottekerner sjældent bruges i offline applikationer på grund af krav til krybeafstand ved højere spændinger.

 

For kerner med mellemrum omkring perimeterpoler kan en kobberskærm, der omgiver transformeren, dæmpe strålingen betydeligt. Dette skjold skal danne en lukket løkke omkring transformeren, centreret om luftgabet, og være omkring 30% af spolespolens bredde. For at maksimere effektiviteten skal kobbertykkelsen være mindst 0,01 tommer.

 

Selvom afskærmning er effektiv, introducerer den hvirvelstrømstab, hvilket reducerer den samlede effektivitet. For perifere luftspalter kan skærmtab nå op på 1 % af enhedens nominelle udgangseffekt. Mellempolspalter forårsager derimod minimale skærmtab, men reducerer stadig effektiviteten på grund af øgede viklingstab. Afskærmning bør derfor kun anvendes, når det er nødvendigt. I mange tilfælde er det tilstrækkeligt at omslutte strømforsyningen eller enheden i et metalhus til at opfylde EMI-standarder. Men i videodisplayterminalenheder er transformatorafskærmning ofte påkrævet for at forhindre elektromagnetisk interferens med CRT-elektronstrålen.

 

Den ekstra varme, der genereres i kobberskjoldet, kan spredes via en køleplade eller omdirigeres til chassiset for at opretholde driftsstabilitet.