Blindatge electrostàtic per a adaptadors d'alimentació de commutació

Una de les especificacions més difícils en el disseny d'adaptadors d'alimentació de commutació és reduir el corrent RFI (Interferència de Radiofreqüència) conduïda en mode comú a un nivell acceptable. Aquest soroll conduït és causat principalment per l'electricitat estàtica parasitària i l'acoblament electromagnètic entre els components de commutació de potència i el pla de terra. El pla de terra pot consistir en el xassís, l'armari o el cable de terra, depenent del tipus d'equip electrònic.

 

Els dissenyadors d'adaptadors d'alimentació de commutació haurien de revisar a fons tot el disseny, identificar les àrees propenses a aquests problemes i implementar mesures de blindatge adequades durant la fase de disseny. Corregir un disseny de RFI inadequat en etapes posteriors sovint és difícil.

 

En la majoria d'aplicacions, el blindatge electrostàtic és necessari allà on les formes d'ona de commutació d'alta freqüència i alt voltatge es puguin acoblar capacitivament amb el pla de terra o la sortida secundària. Això és especialment important quan els transistors de potència de commutació i els díodes rectificadors estan muntats en dissipadors de calor que contacten amb el xassís principal. A més, els camps magnètics i l'acoblament capacitiu poden introduir soroll en components o línies que transporten grans corrents de pols de commutació. Les àrees de problemes potencials inclouen el rectificador de sortida, el condensador de sortida muntat al xassís i l'acoblament capacitiu entre el primari, el secundari i el nucli del transformador de commutació principal, així com altres transformadors d'accionament o de control.

 

Quan els components es munten en dissipadors de calor connectats tèrmicament al xassís, es pot mitigar l'acoblament capacitiu no desitjat col·locant un blindatge electrostàtic entre el component interferent i el dissipador de calor. Aquest blindatge, fet típicament de coure, ha d'estar aïllat tant del dissipador de calor com del component (per exemple, transistor o díode). Bloqueja els corrents de CA acoblats capacitivament, que després es dirigeixen a un punt de referència convenient del circuit d'entrada. Per als components primaris, aquest punt de referència és normalment el terminal negatiu comú de la línia d'alimentació de CC, a prop del dispositiu de commutació. Per als components secundaris, el punt de referència sol ser el terminal comú on el corrent torna al costat secundari del transformador.

 

El transistor de potència de commutació principal genera formes d'ona de pols de commutació d'alta tensió i alta freqüència. Sense un blindatge adequat entre la carcassa del transistor i el xassís, es poden acoblar corrents de soroll significatius a través de la capacitat entre ells. Un blindatge de coure col·locat al circuit injecta qualsevol corrent substancial al dissipador de calor mitjançant la capacitat. El dissipador de calor, al seu torn, manté una tensió de CA d'alta freqüència relativament petita pel que fa al xassís o al pla de terra. Els dissenyadors haurien d'identificar àrees de problemes similars i aplicar blindatge quan sigui necessari.

 

Per evitar que els corrents de RF flueixin entre els bobinatges primaris i secundaris o entre l'escut de seguretat primari i posat a terra, els transformadors de commutació principals solen incloure un blindatge RFI electrostàtic com a mínim al bobinatge primari. En alguns casos, pot ser necessari un escut de seguretat addicional entre els bobinatges primari i secundari. Els blindatges RFI electrostàtics es diferencien dels escuts de seguretat en la seva construcció, ubicació i connexió. Els estàndards de seguretat requereixen que l'escut de seguretat es connecti al pla de terra o al xassís, mentre que l'escut RFI sol estar connectat al circuit d'entrada o sortida. Els blindatges i els blocs de terminals EMI, fets de làmines fines de coure, només transporten corrents petites. Tanmateix, per raons de seguretat, l'escut de seguretat ha de suportar almenys tres vegades el corrent nominal del fusible d'alimentació.

 

En els transformadors de potència de commutació fora de línia, l'escut RFI es col·loca a prop dels bobinatges primari i secundari, mentre que l'escut de seguretat es troba entre els blindatges RFI. Si no es necessita cap blindatge RFI secundari, l'escut de seguretat es col·loca entre el blindatge RFI primari i qualsevol bobinat de sortida. Per garantir un aïllament adequat, l'escut RFI principal sovint està aïllat per corrent continu de la línia d'alimentació d'entrada mitjançant un condensador en sèrie, que normalment té una valoració de 0,01 μF.

 

L'escut RFI secundari només s'utilitza quan es requereix la màxima supressió de soroll o quan la tensió de sortida és alta. Aquest blindatge es connecta al terminal comú de la línia de sortida. El blindatge del transformador s'ha d'aplicar amb moderació, ja que augmenta l'alçada dels components i les dimensions del bobinat, provocant una inductància de fuites més alta i una degradació del rendiment.

 

 

Els corrents de bucle de blindatge d'alta freqüència poden ser importants durant els transitoris de commutació. Per evitar l'acoblament al costat secundari mitjançant el funcionament normal del transformador, el punt de connexió de l'escut ha d'estar al centre, no a les vores. Aquesta disposició garanteix que els corrents de bucle de blindatge acoblats capacitivament flueixin en direccions oposades a cada meitat de l'escut, eliminant els efectes d'acoblament inductiu. A més, els extrems de l'escut s'han d'aïllar entre si per evitar formar un bucle tancat.

 

Per a sortides d'alta tensió, l'escut RFI es pot instal·lar entre els díodes rectificadors de sortida i els seus dissipadors de calor. Per a tensions secundàries baixes, com ara 12 V o inferiors, generalment no són necessaris els blindatges RFI del transformador secundari i els protectors del rectificador. En aquests casos, col·locar el filtre de sortida al circuit pot aïllar el dissipador de calor del díode de la tensió de RF, eliminant la necessitat de blindatge. Si els dissipadors de calor del díode i del transistor estan completament aïllats del xassís (p. ex., quan es munten en un PCB), sovint no és necessari el blindatge electrostàtic.

 

Els transformadors de ferrita flyback i els inductors d'alta freqüència solen tenir espais d'aire significatius en el camí magnètic per controlar la inductància o evitar la saturació. Aquests espais d'aire poden emmagatzemar energia considerable, irradiant camps electromagnètics (EMI) tret que estiguin protegits adequadament. Aquesta radiació pot interferir amb l'adaptador d'alimentació de commutació o amb l'equip proper i pot superar els estàndards EMI radiats.

 

La radiació EMI dels buits d'aire és més gran quan el nucli exterior està buit o quan els buits es distribueixen uniformement entre pols. Concentrar l'espai d'aire al pol mitjà pot reduir la radiació en 6 dB o més. És possible una reducció addicional amb un nucli de pot totalment tancat que concentra el buit al pol mitjà, tot i que els nuclis d'olla rarament s'utilitzen en aplicacions fora de línia a causa dels requisits de distància de fuga a voltatges més alts.

 

Per als nuclis amb buits al voltant dels pols perimetrals, un blindatge de coure que envolta el transformador pot atenuar significativament la radiació. Aquest blindatge hauria de formar un llaç tancat al voltant del transformador, centrat a l'espai d'aire, i hauria de ser aproximadament el 30% de l'amplada de la bobina. Per maximitzar l'eficiència, el gruix del coure ha de ser d'almenys 0,01 polzades.

 

Tot i que el blindatge és efectiu, introdueix pèrdues de corrent de Foucault, reduint l'eficiència general. Per als buits d'aire perifèrics, les pèrdues de blindatge poden arribar a l'1% de la potència de sortida nominal del dispositiu. Per contra, els buits dels pols mitjans provoquen pèrdues mínimes de blindatge, però encara redueixen l'eficiència a causa de l'augment de les pèrdues de bobinatge. Per tant, només s'ha d'utilitzar el blindatge quan sigui necessari. En molts casos, tancar la font d'alimentació o el dispositiu en una carcassa metàl·lica és suficient per complir els estàndards EMI. Tanmateix, en dispositius terminals de visualització de vídeo, sovint es requereix blindatge del transformador per evitar interferències electromagnètiques amb el feix d'electrons CRT.

 

La calor addicional generada a l'escut de coure es pot dissipar mitjançant un dissipador de calor o redirigir-se al xassís per mantenir l'estabilitat operativa.