Elektrostatisk skjerming for bytte av strømadaptere

En av de mest utfordrende spesifikasjonene i utformingen av byttestrømadaptere er å redusere den ledende RFI-strømmen (Radio Frequency Interference) i vanlig modus til et akseptabelt nivå. Denne ledede støyen er hovedsakelig forårsaket av parasittisk statisk elektrisitet og elektromagnetisk kobling mellom strømbrytende komponenter og jordplanet. Jordplanet kan bestå av chassis, kabinett eller jordledning, avhengig av typen elektronisk utstyr.

 

Designere av byttestrømadaptere bør gjennomgå hele oppsettet grundig, identifisere områder som er utsatt for slike problemer, og implementere passende skjermingstiltak under designfasen. Å korrigere feil RFI-design i senere stadier er ofte vanskelig.

 

I de fleste applikasjoner er elektrostatisk skjerming nødvendig der høyfrekvente, høyspente svitsjebølgeformer kapasitivt kan kobles til jordplanet eller sekundærutgangen. Dette er spesielt viktig der svitsjeffekttransistorer og likeretterdioder er montert på kjøleribber som kommer i kontakt med hovedchassiset. I tillegg kan magnetiske felt og kapasitiv kobling introdusere støy i komponenter eller linjer som bærer store svitsjepulsstrømmer. Potensielle problemområder inkluderer utgangslikeretteren, utgangskondensatoren montert på chassiset, og kapasitiv kobling mellom primær-, sekundær- og kjernen til hovedsvitsjetransformatoren, samt andre driv- eller kontrolltransformatorer.

 

Når komponenter er montert på varmeavledere termisk koblet til chassiset, kan uønsket kapasitiv kobling dempes ved å plassere et elektrostatisk skjold mellom den forstyrrende komponenten og kjøleribben. Dette skjoldet, vanligvis laget av kobber, må isoleres fra både kjøleribben og komponenten (f.eks. transistor eller diode). Den blokkerer kapasitivt koblede AC-strømmer, som deretter blir rettet til et praktisk referansepunkt i inngangskretsen. For primærkomponenter er dette referansepunktet typisk den vanlige negative terminalen til DC-strømforsyningslinjen, nær svitsjeenheten. For sekundære komponenter er referansepunktet vanligvis den felles terminalen der strømmen går tilbake til transformatorens sekundærside.

 

Den primære svitsjeeffekttransistoren genererer høyspente, høyfrekvente svitsjepulsbølgeformer. Uten tilstrekkelig skjerming mellom transistorhuset og chassiset, kan betydelige støystrømmer kobles gjennom kapasitansen mellom dem. Et kobberskjold plassert i kretsen injiserer enhver betydelig strøm inn i kjøleribben via kapasitans. Kjøleribben opprettholder på sin side en relativt liten høyfrekvent AC-spenning angående chassiset eller jordplanet. Designere bør identifisere lignende problemområder og bruke skjerming der det er nødvendig.

 

For å forhindre at RF-strømmer flyter mellom primær- og sekundærviklinger eller mellom primær- og jordet sikkerhetsskjold, inkluderer hovedsvitsjetransformatorer vanligvis et elektrostatisk RFI-skjold på i det minste primærviklingen. I noen tilfeller kan det være nødvendig med et ekstra sikkerhetsskjold mellom primær- og sekundærviklingene. Elektrostatiske RFI-skjold skiller seg fra sikkerhetsskjold i konstruksjon, plassering og tilkobling. Sikkerhetsstandarder krever at sikkerhetsskjoldet kobles til jordplanet eller chassiset, mens RFI-skjoldet vanligvis er koblet til inngangs- eller utgangskretsen. EMI-skjermer og rekkeklemmer, laget av tynne kobberplater, bærer kun små strømmer. Av sikkerhetsgrunner må imidlertid sikkerhetsskjermen tåle minst tre ganger merkestrømmen til strømsikringen.

 

I frakoblede strømtransformatorer er RFI-skjoldet plassert nær primær- og sekundærviklingene, mens sikkerhetsskjoldet er plassert mellom RFI-skjoldene. Hvis det ikke er behov for noe sekundært RFI-skjold, plasseres sikkerhetsskjoldet mellom det primære RFI-skjoldet og eventuelle utgangsviklinger. For å sikre riktig isolasjon er det primære RFI-skjoldet ofte DC-isolert fra inngangsstrømledningen via en seriekondensator, typisk vurdert til 0.01 μF.

 

Det sekundære RFI-skjoldet brukes bare når maksimal støydemping er nødvendig eller når utgangsspenningen er høy. Dette skjoldet kobles til den felles terminalen på utgangslinjen. Transformatorskjerming bør brukes sparsomt, da det øker komponenthøyden og viklingsdimensjonene, noe som fører til høyere lekkasjeinduktans og ytelsesforringelse.

 

 

Høyfrekvente skjermsløyfestrømmer kan være betydelige under svitsjetransienter. For å forhindre kobling til sekundærsiden gjennom transformatorens normale drift, bør skjermkoblingspunktet være i midten, ikke kantene. Dette arrangementet sikrer at de kapasitivt koplede skjermsløyfestrømmene flyter i motsatte retninger på hver halvdel av skjermen, og eliminerer induktive koblingseffekter. I tillegg må endene av skjoldet isoleres fra hverandre for å unngå å danne en lukket sløyfe.

 

For høyspenningsutganger kan RFI-skjoldet installeres mellom utgangslikeretterdiodene og deres varmeavledere. For lave sekundærspenninger, som 12V eller lavere, er sekundære transformator-RFI-skjermer og likeretterskjermer generelt unødvendige. I slike tilfeller kan plassering av utgangsfilterchoken i kretsen isolere diodekjøleribben fra RF-spenning, og eliminere behovet for skjerming. Hvis dioden og transistorens varmeavledere er helt isolert fra chassiset (f.eks. når de er montert på et PCB), er elektrostatisk skjerming ofte unødvendig.

 

Ferritttilbakeslagstransformatorer og høyfrekvente induktorer har ofte betydelige luftgap i magnetbanen for å kontrollere induktansen eller forhindre metning. Disse luftspaltene kan lagre betydelig energi og utstråle elektromagnetiske felt (EMI) med mindre de er tilstrekkelig skjermet. Denne strålingen kan forstyrre strømadapteren eller utstyr i nærheten og kan overskride utstrålte EMI-standarder.

 

EMI-stråling fra luftspalter er størst når den ytre kjernen er gapet eller når gapene er jevnt fordelt mellom polene. Konsentrering av luftgapet i midtpolen kan redusere strålingen med 6 dB eller mer. Ytterligere reduksjon er mulig med en helt lukket pottekjerne som konsentrerer gapet i midtpolen, selv om pottekjerner sjelden brukes i offline-applikasjoner på grunn av krav til krypeavstand ved høyere spenninger.

 

For kjerner med hull rundt omkretspoler kan en kobberskjerm som omgir transformatoren redusere strålingen betydelig. Dette skjoldet skal danne en lukket sløyfe rundt transformatoren, sentrert på luftgapet, og være omtrent 30 % av viklingsspolens bredde. For å maksimere effektiviteten bør kobbertykkelsen være minst 0,01 tommer.

 

Selv om skjerming er effektiv, introduserer den virvelstrømstap, noe som reduserer den totale effektiviteten. For perifere luftspalter kan skjermtapet nå 1 % av enhetens nominelle utgangseffekt. Mellompolgap, derimot, forårsaker minimale skjoldtap, men reduserer likevel effektiviteten på grunn av økt viklingstap. Skjerming bør derfor kun brukes når det er nødvendig. I mange tilfeller er det tilstrekkelig å omslutte strømforsyningen eller enheten i et metallhus for å oppfylle EMI-standarder. I videodisplayterminalenheter er imidlertid transformatorskjerming ofte nødvendig for å forhindre elektromagnetisk interferens med CRT-elektronstrålen.

 

Den ekstra varmen som genereres i kobberskjoldet kan avledes via en kjøleribbe eller omdirigeres til chassiset for å opprettholde driftsstabilitet.