Elektrostatické tienenie pre spínané napájacie adaptéry

Jednou z najnáročnejších špecifikácií pri konštrukcii spínaných napájacích adaptérov je zníženie prúdu RFI (Radio Frequency Interference) v bežnom režime na prijateľnú úroveň. Tento vedený hluk je spôsobený hlavne parazitnou statickou elektrinou a elektromagnetickou väzbou medzi komponentmi prepínajúcimi výkon a základnou rovinou. Uzemňovacia rovina môže pozostávať zo šasi, skrinky alebo uzemňovacieho vodiča v závislosti od typu elektronického zariadenia.

 

Návrhári spínaných napájacích adaptérov by mali dôkladne preskúmať celé usporiadanie, identifikovať oblasti náchylné na takéto problémy a implementovať vhodné opatrenia na tienenie počas fázy návrhu. Oprava nesprávneho návrhu RFI v neskorších fázach je často náročná.

 

Vo väčšine aplikácií je elektrostatické tienenie nevyhnutné všade tam, kde sa vysokofrekvenčné, vysokonapäťové spínacie krivky môžu kapacitne spojiť so zemou alebo sekundárnym výstupom. Toto je obzvlášť dôležité tam, kde sú spínacie výkonové tranzistory a usmerňovacie diódy namontované na chladičoch, ktoré sú v kontakte s hlavnou kostrou. Okrem toho magnetické polia a kapacitná väzba môžu spôsobiť šum v komponentoch alebo vedeniach prenášajúcich veľké spínacie impulzné prúdy. Medzi potenciálne problémové oblasti patrí výstupný usmerňovač, výstupný kondenzátor namontovaný na šasi a kapacitná väzba medzi primárnym, sekundárnym a jadrom hlavného spínacieho transformátora, ako aj iných hnacích alebo riadiacich transformátorov.

 

Keď sú komponenty namontované na chladičoch tepelne pripojených k šasi, nežiaduce kapacitné spojenie možno zmierniť umiestnením elektrostatického štítu medzi rušivý komponent a chladič. Tento štít, zvyčajne vyrobený z medi, musí byť izolovaný od chladiča aj od komponentu (napr. tranzistora alebo diódy). Blokuje kapacitne viazané striedavé prúdy, ktoré sú potom smerované do vhodného referenčného bodu vo vstupnom obvode. Pre primárne komponenty je týmto referenčným bodom zvyčajne spoločná záporná svorka napájacieho vedenia jednosmerného prúdu v blízkosti spínacieho zariadenia. Pre sekundárne komponenty je referenčným bodom zvyčajne spoločný terminál, kde prúd tečie späť na sekundárnu stranu transformátora.

 

Primárny spínací výkonový tranzistor generuje vysokonapäťové, vysokofrekvenčné spínacie impulzy. Bez adekvátneho tienenia medzi skriňou tranzistora a šasi sa môžu cez kapacitu medzi nimi spájať značné šumové prúdy. Medený štít umiestnený v obvode vstrekuje akýkoľvek podstatný prúd do chladiča prostredníctvom kapacity. Chladič zase udržuje relatívne malé vysokofrekvenčné striedavé napätie týkajúce sa šasi alebo základnej dosky. Dizajnéri by mali identifikovať podobné problémové oblasti a v prípade potreby použiť tienenie.

 

Aby sa zabránilo prúdeniu vysokofrekvenčných prúdov medzi primárnym a sekundárnym vinutím alebo medzi primárnym a uzemneným bezpečnostným štítom, hlavné spínacie transformátory zvyčajne obsahujú elektrostatické RFI tienenie aspoň na primárnom vinutí. V niektorých prípadoch môže byť potrebné dodatočné bezpečnostné tienenie medzi primárnym a sekundárnym vinutím. Elektrostatické RFI štíty sa líšia od bezpečnostných štítov svojou konštrukciou, umiestnením a pripojením. Bezpečnostné normy vyžadujú, aby sa bezpečnostný štít pripojil k základnej doske alebo šasi, zatiaľ čo štít RFI je zvyčajne pripojený k vstupnému alebo výstupnému obvodu. EMI tienenia a svorkovnice, vyrobené z tenkých medených plechov, prenášajú len malé prúdy. Z bezpečnostných dôvodov však musí bezpečnostný štít vydržať najmenej trojnásobok menovitého prúdu výkonovej poistky.

 

V offline spínaných výkonových transformátoroch je štít RFI umiestnený blízko primárneho a sekundárneho vinutia, zatiaľ čo bezpečnostný štít je umiestnený medzi štítmi RFI. Ak nie je potrebné žiadne sekundárne RFI tienenie, bezpečnostné tienenie sa umiestni medzi primárne RFI tienenie a akékoľvek výstupné vinutia. Aby sa zabezpečila správna izolácia, primárne tienenie RFI je často jednosmerne izolované od vstupného napájacieho vedenia prostredníctvom sériového kondenzátora, ktorý má zvyčajne hodnotu 0,01 μF.

 

Sekundárny RFI štít sa používa iba vtedy, keď je požadované maximálne potlačenie šumu alebo keď je výstupné napätie vysoké. Toto tienenie sa pripája na spoločnú svorku výstupného vedenia. Tienenie transformátora by sa malo používať s mierou, pretože zvyšuje výšku súčiastok a rozmery vinutia, čo vedie k vyššej zvodovej indukčnosti a zníženiu výkonu.

 

 

Vysokofrekvenčné prúdy tieniacej slučky môžu byť významné počas spínacích prechodových javov. Aby sa zabránilo spojeniu so sekundárnou stranou cez normálnu prevádzku transformátora, mal by byť bod pripojenia tienenia v jeho strede, nie na jeho okrajoch. Toto usporiadanie zaisťuje, že kapacitne viazané prúdy tieniacej slučky prúdia v opačných smeroch na každej polovici tienenia, čím sa eliminujú efekty induktívnej väzby. Okrem toho musia byť konce štítu od seba izolované, aby sa zabránilo vytvoreniu uzavretej slučky.

 

Pre vysokonapäťové výstupy môže byť RFI tienenie inštalované medzi výstupné usmerňovacie diódy a ich chladiče. Pre nízke sekundárne napätia, ako je 12 V alebo nižšie, sú tienenia sekundárneho transformátora RFI a tienenia usmerňovačov vo všeobecnosti zbytočné. V takýchto prípadoch môže umiestnenie výstupnej filtračnej tlmivky do obvodu izolovať chladič diódy od RF napätia, čím sa eliminuje potreba tienenia. Ak sú diódové a tranzistorové chladiče úplne izolované od šasi (napr. pri montáži na PCB), elektrostatické tienenie je často zbytočné.

 

Feritové transformátory a vysokofrekvenčné tlmivky majú často značné vzduchové medzery v magnetickej dráhe na riadenie indukčnosti alebo zabránenie saturácii. Tieto vzduchové medzery môžu uchovávať značné množstvo energie, vyžarujúce elektromagnetické polia (EMI), pokiaľ nie sú dostatočne tienené. Toto žiarenie môže rušiť spínaný napájací adaptér alebo blízke zariadenia a môže prekračovať vyžarované normy EMI.

 

EMI vyžarovanie zo vzduchových medzier je najväčšie, keď je vonkajšie jadro medzerové alebo keď sú medzery rovnomerne rozložené medzi pólmi. Koncentrácia vzduchovej medzery v strednom póle môže znížiť žiarenie o 6 dB alebo viac. Ďalšie zníženie je možné s úplne uzavretým jadrom hrnca, ktoré sústreďuje medzeru v strednom póle, hoci jadrá hrncov sa zriedka používajú v offline aplikáciách kvôli požiadavkám na plazivú vzdialenosť pri vyšších napätiach.

 

Pri jadrách s medzerami okolo obvodových pólov môže medené tienenie obklopujúce transformátor výrazne utlmiť žiarenie. Tento štít by mal tvoriť uzavretú slučku okolo transformátora, vycentrovanú na vzduchovú medzeru a mal by byť približne 30% šírky cievky vinutia. Aby sa maximalizovala účinnosť, hrúbka medi by mala byť aspoň 0,01 palca.

 

Aj keď je tienenie účinné, prináša straty vírivými prúdmi, čím sa znižuje celková účinnosť. Pri periférnych vzduchových medzerách môžu straty tienenia dosiahnuť 1 % menovitého výstupného výkonu zariadenia. Medzery stredného pólu naopak spôsobujú minimálne straty tienenia, ale stále znižujú účinnosť v dôsledku zvýšených strát vo vinutí. Tienenie by sa preto malo používať iba v prípade potreby. V mnohých prípadoch na splnenie noriem EMI postačuje uzavretie napájacieho zdroja alebo zariadenia do kovového krytu. V koncových zariadeniach na zobrazovanie videa sa však často vyžaduje tienenie transformátora, aby sa zabránilo elektromagnetickej interferencii s elektrónovým lúčom CRT.

 

Dodatočné teplo generované medeným štítom môže byť odvádzané cez chladič alebo presmerované do šasi, aby sa zachovala prevádzková stabilita.