Elektrostatické stínění pro spínané napájecí adaptéry

Jednou z nejnáročnějších specifikací při návrhu spínacích napájecích adaptérů je snížení proudu RFI (Radio Frequency Interference) vedeného v běžném režimu na přijatelnou úroveň. Tento řízený šum je způsoben hlavně parazitní statickou elektřinou a elektromagnetickou vazbou mezi součástmi spínajícími výkon a zemní plochou. Zemnící plocha se může skládat ze šasi, skříně nebo zemnícího vodiče v závislosti na typu elektronického zařízení.

 

Návrháři spínacích napájecích adaptérů by měli důkladně prozkoumat celé uspořádání, identifikovat oblasti náchylné k takovým problémům a zavést vhodná opatření stínění během fáze návrhu. Náprava nesprávného návrhu RFI v pozdějších fázích je často obtížná.

 

Ve většině aplikací je elektrostatické stínění nezbytné všude tam, kde se vysokofrekvenční, vysokonapěťové spínací křivky mohou kapacitně spojit se zemnicí plochou nebo sekundárním výstupem. To je zvláště důležité tam, kde jsou spínané výkonové tranzistory a usměrňovací diody namontovány na chladičích, které jsou v kontaktu s hlavním šasi. Kromě toho mohou magnetická pole a kapacitní vazba vnášet šum do součástí nebo vedení přenášejících velké spínací pulzní proudy. Potenciální problémové oblasti zahrnují výstupní usměrňovač, výstupní kondenzátor namontovaný na šasi a kapacitní vazbu mezi primárním, sekundárním a jádrem hlavního spínacího transformátoru, stejně jako dalších měničů nebo řídicích transformátorů.

 

Když jsou součásti namontovány na chladiče tepelně připojené k šasi, lze nežádoucí kapacitní vazbu zmírnit umístěním elektrostatického štítu mezi rušící součást a chladič. Toto stínění, obvykle vyrobené z mědi, musí být izolováno jak od chladiče, tak od součásti (např. tranzistoru nebo diody). Blokuje kapacitně vázané střídavé proudy, které jsou pak směrovány do vhodného referenčního bodu ve vstupním obvodu. U primárních komponent je tímto referenčním bodem obvykle společná záporná svorka stejnosměrného napájecího vedení v blízkosti spínacího zařízení. Pro sekundární komponenty je referenčním bodem obvykle společný terminál, kde proud teče zpět na sekundární stranu transformátoru.

 

Primární spínací výkonový tranzistor generuje vysokonapěťové, vysokofrekvenční spínací pulsy. Bez adekvátního stínění mezi skříní tranzistoru a šasi se mohou přes kapacitu mezi nimi vázat značné šumové proudy. Měděné stínění umístěné v obvodu vhání jakýkoli podstatný proud do chladiče prostřednictvím kapacity. Chladič zase udržuje relativně malé vysokofrekvenční střídavé napětí týkající se šasi nebo zemní plochy. Návrháři by měli identifikovat podobné problémové oblasti a v případě potřeby použít stínění.

 

Aby se zabránilo proudění vysokofrekvenčních proudů mezi primárním a sekundárním vinutím nebo mezi primárním a uzemněným bezpečnostním štítem, hlavní spínací transformátory obvykle obsahují elektrostatické stínění RFI alespoň na primárním vinutí. V některých případech může být vyžadován další bezpečnostní štít mezi primárním a sekundárním vinutím. Elektrostatické RFI štíty se liší od bezpečnostních štítů svou konstrukcí, umístěním a připojením. Bezpečnostní normy vyžadují, aby se bezpečnostní štít připojoval k zemnicí ploše nebo šasi, zatímco stínění RFI je obvykle připojeno ke vstupnímu nebo výstupnímu obvodu. Stínění EMI a svorkovnice vyrobené z tenkých měděných plechů přenášejí pouze malé proudy. Bezpečnostní štít však musí z bezpečnostních důvodů odolat minimálně trojnásobku jmenovitého proudu výkonové pojistky.

 

U offline spínaných výkonových transformátorů je stínění RFI umístěno blízko primárního a sekundárního vinutí, zatímco bezpečnostní stínění je umístěno mezi stíněním RFI. Pokud není potřeba sekundární RFI stínění, je bezpečnostní stínění umístěno mezi primární RFI stínění a jakákoli výstupní vinutí. Aby byla zajištěna správná izolace, primární stínění RFI je často stejnosměrně izolováno od vstupního napájecího vedení prostřednictvím sériového kondenzátoru, který je obvykle dimenzován na 0,01 μF.

 

Sekundární RFI stínění se používá pouze tehdy, když je požadováno maximální potlačení šumu nebo když je výstupní napětí vysoké. Toto stínění se připojuje ke společné svorce výstupního vedení. Stínění transformátoru by mělo být aplikováno střídmě, protože zvyšuje výšku součásti a rozměry vinutí, což vede k vyšší svodové indukčnosti a ke snížení výkonu.

 

 

Vysokofrekvenční proudy stínící smyčky mohou být významné během spínacích přechodových jevů. Aby se zabránilo vazbě na sekundární stranu při normálním provozu transformátoru, měl by být bod připojení stínění v jeho středu, nikoli na jeho okrajích. Toto uspořádání zajišťuje, že kapacitně vázané proudy stínící smyčky tečou v opačných směrech na každé polovině stínění, čímž se eliminují efekty induktivní vazby. Kromě toho musí být konce štítu vzájemně izolovány, aby se zabránilo vytvoření uzavřené smyčky.

 

U vysokonapěťových výstupů může být RFI stínění instalováno mezi výstupní usměrňovací diody a jejich chladiče. Pro nízká sekundární napětí, jako je 12V nebo nižší, jsou stínění sekundárního transformátoru RFI a stínění usměrňovače obecně zbytečné. V takových případech může umístění výstupní tlumivky filtru do obvodu izolovat chladič diody od vysokofrekvenčního napětí, čímž se eliminuje potřeba stínění. Pokud jsou diodové a tranzistorové chladiče zcela izolovány od šasi (např. při montáži na PCB), elektrostatické stínění je často zbytečné.

 

Feritové zpětné transformátory a vysokofrekvenční induktory mají často značné vzduchové mezery v magnetické dráze pro řízení indukčnosti nebo zabránění saturaci. Tyto vzduchové mezery mohou uchovávat značnou energii vyzařující elektromagnetická pole (EMI), pokud nejsou dostatečně stíněny. Toto záření může rušit spínací napájecí adaptér nebo blízké zařízení a může překročit vyzařované normy EMI.

 

EMI záření ze vzduchových mezer je největší, když je vnější jádro mezerovité nebo když jsou mezery rovnoměrně rozloženy mezi póly. Koncentrace vzduchové mezery ve středním pólu může snížit záření o 6 dB nebo více. Další snížení je možné s plně uzavřeným jádrem hrnce, které koncentruje mezeru ve středním pólu, ačkoli jádra hrnců se v offline aplikacích používají zřídka kvůli požadavkům na povrchovou vzdálenost při vyšších napětích.

 

U jader s mezerami kolem obvodových pólů může měděné stínění obklopující transformátor výrazně utlumit záření. Toto stínění by mělo tvořit uzavřenou smyčku kolem transformátoru se středem ve vzduchové mezeře a mělo by být asi 3 0 % šířky cívky vinutí. Pro maximalizaci účinnosti by tloušťka mědi měla být alespoň 0,01 palce.

 

I když je stínění účinné, přináší ztráty vířivými proudy, což snižuje celkovou účinnost. U okrajových vzduchových mezer mohou ztráty stínění dosáhnout 1 % jmenovitého výstupního výkonu zařízení. Mezery středních pólů naopak způsobují minimální ztráty stínění, ale stále snižují účinnost v důsledku zvýšených ztrát ve vinutí. Stínění by se proto mělo používat pouze v případě potřeby. V mnoha případech stačí ke splnění norem EMI uzavření napájecího zdroje nebo zařízení do kovového pouzdra. V koncových zařízeních pro zobrazení videa je však často vyžadováno stínění transformátoru, aby se zabránilo elektromagnetické interferenci s elektronovým paprskem CRT.

 

Dodatečné teplo generované v měděném stínění lze odvádět přes chladič nebo přesměrovat do šasi, aby byla zachována provozní stabilita.