Elektrostatisk skärmning för byte av strömadaptrar

En av de mest utmanande specifikationerna i designen av switchade nätadaptrar är att reducera den ledande RFI-strömmen (Radio Frequency Interference) i common-mode till en acceptabel nivå. Detta ledningsbrus orsakas huvudsakligen av parasitisk statisk elektricitet och elektromagnetisk koppling mellan kraftomkopplande komponenter och jordplanet. Jordplanet kan bestå av chassit, skåp eller jordledning, beroende på typen av elektronisk utrustning.

 

Designers av switchade nätadaptrar bör noggrant se över hela layouten, identifiera områden som är utsatta för sådana problem och implementera lämpliga skärmningsåtgärder under designfasen. Att korrigera felaktig RFI-design i senare skeden är ofta svårt.

 

I de flesta applikationer är elektrostatisk avskärmning nödvändig där högfrekventa högspänningsomkopplingsvågformer kapacitivt kan kopplas till jordplanet eller sekundärutgången. Detta är särskilt viktigt där switchande krafttransistorer och likriktardioder är monterade på kylflänsar som kommer i kontakt med huvudchassit. Dessutom kan magnetfält och kapacitiv koppling introducera brus i komponenter eller ledningar som bär stora omkopplingspulsströmmar. Potentiella problemområden inkluderar utgångslikriktaren, utgångskondensatorn monterad på chassit och kapacitiv koppling mellan primär-, sekundär- och kärna i huvudomkopplingstransformatorn, såväl som andra driv- eller styrtransformatorer.

 

När komponenter är monterade på kylflänsar som är termiskt anslutna till chassit, kan oönskad kapacitiv koppling mildras genom att placera en elektrostatisk skärm mellan den störande komponenten och kylflänsen. Denna skärm, vanligtvis gjord av koppar, måste isoleras från både kylflänsen och komponenten (t.ex. transistor eller diod). Den blockerar kapacitivt kopplade växelströmsströmmar, som sedan riktas till en lämplig referenspunkt i ingångskretsen. För primära komponenter är denna referenspunkt typiskt den gemensamma negativa terminalen på likströmsförsörjningsledningen, nära omkopplingsanordningen. För sekundära komponenter är referenspunkten vanligtvis den gemensamma terminalen där ström flyter tillbaka till transformatorns sekundära sida.

 

Den primära omkopplingseffekttransistorn genererar högspännings- och högfrekventa omkopplingspulsvågformer. Utan tillräcklig skärmning mellan transistorhöljet och chassit kan betydande brusströmmar kopplas genom kapacitansen mellan dem. En kopparskärm placerad i kretsen injicerar all väsentlig ström i kylflänsen via kapacitans. Kylflänsen upprätthåller i sin tur en relativt liten högfrekvent växelspänning avseende chassit eller jordplanet. Konstruktörer bör identifiera liknande problemområden och applicera skärmning vid behov.

 

För att förhindra att RF-strömmar flyter mellan primär- och sekundärlindningar eller mellan den primära och jordade säkerhetsskärmen, inkluderar huvudomkopplingstransformatorer vanligtvis en elektrostatisk RFI-skärm på åtminstone primärlindningen. I vissa fall kan en extra säkerhetsskärm krävas mellan primär- och sekundärlindningarna. Elektrostatiska RFI-skärmar skiljer sig från säkerhetsskärmar i sin konstruktion, placering och anslutning. Säkerhetsstandarder kräver att säkerhetsskärmen ansluts till jordplanet eller chassit, medan RFI-skärmen vanligtvis är ansluten till ingångs- eller utgångskretsen. EMI-skärmar och plintar, gjorda av tunna kopparplåtar, bär endast små strömmar. Av säkerhetsskäl måste dock säkerhetsskölden tåla minst tre gånger märkströmmen för strömsäkringen.

 

I offline switchade krafttransformatorer placeras RFI-skärmen nära primär- och sekundärlindningarna, medan säkerhetsskärmen är placerad mellan RFI-skärmarna. Om ingen sekundär RFI-skärm behövs, placeras säkerhetsskärmen mellan den primära RFI-skärmen och eventuella utgångslindningar. För att säkerställa korrekt isolering är den primära RFI-skölden ofta DC-isolerad från ingångsströmledningen via en seriekondensator, vanligtvis klassad till 0.01 μF.

 

Den sekundära RFI-skärmen används endast när maximal brusdämpning krävs eller när utspänningen är hög. Denna skärm ansluts till den gemensamma terminalen på utgångsledningen. Transformatorskärmning bör appliceras sparsamt, eftersom det ökar komponenthöjden och lindningsdimensionerna, vilket leder till högre läckinduktans och prestandaförsämring.

 

 

Högfrekventa skärmslingströmmar kan vara betydande under omkopplingstransienter. För att förhindra koppling till sekundärsidan genom transformatorns normala drift bör skärmanslutningspunkten vara i mitten, inte i kanterna. Detta arrangemang säkerställer att de kapacitivt kopplade skärmslingströmmarna flyter i motsatta riktningar på varje halva av skärmen, vilket eliminerar induktiva kopplingseffekter. Dessutom måste ändarna på skölden isoleras från varandra för att undvika att bilda en sluten slinga.

 

För högspänningsutgångar kan RFI-skärmen installeras mellan utgångslikriktardioderna och deras kylflänsar. För låga sekundära spänningar, såsom 12V eller lägre, är sekundära transformator-RFI-skärmar och likriktarskärmar i allmänhet onödiga. I sådana fall kan en placering av utgångsfiltrets choke i kretsen isolera diodkylflänsen från RF-spänning, vilket eliminerar behovet av skärmning. Om dioden och transistorns kylflänsar är helt isolerade från chassit (t.ex. när de är monterade på ett PCB) är elektrostatisk skärmning ofta onödig.

 

Ferrittilbakagångstransformatorer och högfrekventa induktorer har ofta betydande luftgap i magnetbanan för att kontrollera induktansen eller förhindra mättnad. Dessa luftgap kan lagra avsevärd energi och utstråla elektromagnetiska fält (EMI) om de inte är tillräckligt avskärmade. Denna strålning kan störa strömadaptern eller närliggande utrustning och kan överskrida utstrålade EMI-standarder.

 

EMI-strålning från luftgap är störst när den yttre kärnan är gapad eller när gapen är jämnt fördelade mellan polerna. Att koncentrera luftgapet i mittpolen kan minska strålningen med 6 dB eller mer. Ytterligare minskning är möjlig med en helt sluten pottkärna som koncentrerar gapet i mittpolen, även om pottkärnor sällan används i offline-applikationer på grund av krav på krypavstånd vid högre spänningar.

 

För kärnor med mellanrum runt omkretspoler kan en kopparskärm som omger transformatorn avsevärt dämpa strålningen. Denna skärm ska bilda en sluten slinga runt transformatorn, centrerad på luftgapet, och vara cirka 30% av lindningsspolens bredd. För att maximera effektiviteten bör koppartjockleken vara minst 0,01 tum.

 

Även om skärmningen är effektiv, introducerar den virvelströmsförluster, vilket minskar den totala effektiviteten. För perifera luftgap kan skärmförlusterna nå 1 % av enhetens nominella uteffekt. Mellanpolgap, däremot, orsakar minimala skärmförluster men minskar ändå effektiviteten på grund av ökade lindningsförluster. Avskärmning bör därför endast användas vid behov. I många fall räcker det att innesluta strömförsörjningen eller enheten i ett metallhölje för att uppfylla EMI-standarder. I videodisplayterminalenheter krävs emellertid ofta transformatorskärmning för att förhindra elektromagnetisk interferens med CRT-elektronstrålen.

 

Den extra värmen som genereras i kopparskölden kan avledas via en kylfläns eller omdirigeras till chassit för att upprätthålla driftsstabilitet.