Elektrostatična zaščita za stikalne napajalnike

Ena najzahtevnejših specifikacij pri načrtovanju preklopnih napajalnikov je zmanjšanje toka RFI (radiofrekvenčne motnje) v običajnem načinu na sprejemljivo raven. Ta prevodni hrup je v glavnem posledica parazitske statične elektrike in elektromagnetnega sklopa med komponentami za preklop moči in ozemljitveno ploščo. Ozemljitvena plošča je lahko sestavljena iz ohišja, omarice ali ozemljitvene žice, odvisno od vrste elektronske opreme.

 

Načrtovalci preklopnih napajalnikov bi morali temeljito pregledati celotno postavitev, identificirati območja, ki so nagnjena k takšnim težavam, in izvesti ustrezne zaščitne ukrepe v fazi načrtovanja. Popravljanje nepravilne zasnove RFI v poznejših fazah je pogosto težko.

 

V večini aplikacij je elektrostatična zaščita potrebna povsod, kjer se lahko visokofrekvenčne, visokonapetostne preklopne valovne oblike kapacitivno povežejo z ozemljitveno ploščo ali sekundarnim izhodom. To je še posebej pomembno, če so preklopni močnostni tranzistorji in usmerniške diode nameščeni na hladilnikih, ki se dotikajo glavnega ohišja. Poleg tega lahko magnetna polja in kapacitivna sklopitev povzročijo šum v komponentah ali linijah, ki prenašajo velike preklopne impulzne tokove. Potencialna problematična področja vključujejo izhodni usmernik, izhodni kondenzator, nameščen na ohišju, in kapacitivno sklopitev med primarnim, sekundarnim in jedrom glavnega stikalnega transformatorja, kot tudi druge pogonske ali krmilne transformatorje.

 

Ko so komponente nameščene na hladilna telesa, ki so toplotno povezana z ohišjem, lahko neželeno kapacitivno sklopitev ublažite tako, da med motečo komponento in hladilno telo namestite elektrostatični ščit. Ta ščit, ki je običajno izdelan iz bakra, mora biti izoliran od hladilnega telesa in komponente (npr. tranzistorja ali diode). Blokira kapacitivno sklopljene izmenične tokove, ki so nato usmerjeni na priročno referenčno točko v vhodnem vezju. Za primarne komponente je ta referenčna točka običajno skupni negativni priključek napajalnega voda DC v bližini stikalne naprave. Za sekundarne komponente je referenčna točka običajno skupni terminal, kjer tok teče nazaj na sekundarno stran transformatorja.

 

Primarni preklopni močnostni tranzistor ustvarja visokonapetostne, visokofrekvenčne preklopne valovne oblike. Brez ustrezne zaščite med ohišjem tranzistorja in ohišjem se lahko skozi kapacitivnost med njima prepletajo znatni hrupni tokovi. Bakreni ščit, nameščen v tokokrogu, prek kapacitivnosti vbrizga kakršen koli znaten tok v hladilno telo. Hladilno telo pa vzdržuje razmeroma majhno visokofrekvenčno izmenično napetost glede na šasijo ali ozemljitveno ploščo. Oblikovalci bi morali identificirati podobna problematična področja in po potrebi uporabiti zaščito.

 

Da bi preprečili pretok RF tokov med primarnim in sekundarnim navitjem ali med primarnim in ozemljenim varnostnim ščitom, glavni stikalni transformatorji običajno vključujejo elektrostatični RFI ščit vsaj na primarnem navitju. V nekaterih primerih je morda potreben dodaten varnostni ščit med primarnim in sekundarnim navitjem. Elektrostatični ščiti RFI se od varnostnih ščitov razlikujejo po konstrukciji, lokaciji in povezavi. Varnostni standardi zahtevajo, da se varnostni ščit poveže z ozemljitveno ploščo ali ohišjem, medtem ko je ščit RFI običajno povezan z vhodnim ali izhodnim vezjem. EMI oklopi in priključni bloki, izdelani iz tankih bakrenih plošč, prenašajo le majhne tokove. Iz varnostnih razlogov pa mora varnostni ščit vzdržati vsaj trikratnik nazivnega toka električne varovalke.

 

Pri preklopnih močnostnih transformatorjih brez povezave je ščit RFI nameščen blizu primarnega in sekundarnega navitja, medtem ko je varnostni ščit nameščen med ščiti RFI. Če sekundarni ščit RFI ni potreben, je varnostni ščit nameščen med primarnim ščitom RFI in vsemi izhodnimi navitji. Da bi zagotovili ustrezno izolacijo, je primarni ščit RFI pogosto izoliran od enosmernega toka od vhodnega napajalnega voda prek serijskega kondenzatorja, ki je običajno ocenjen na 0,01 μF.

 

Sekundarni RFI ščit se uporablja le, ko je potrebno maksimalno dušenje hrupa ali ko je izhodna napetost visoka. Ta oklop se poveže s skupnim priključkom izhodne linije. Zaščito transformatorja je treba uporabljati zmerno, saj poveča višino komponente in dimenzije navitja, kar povzroči večjo induktivnost uhajanja in poslabšanje delovanja.

 

 

Visokofrekvenčni tokovi oklopne zanke so lahko med preklopnimi prehodi pomembni. Da bi preprečili spajanje na sekundarno stran med običajnim delovanjem transformatorja, mora biti priključna točka oklopa v njegovem središču, ne na njegovih robovih. Ta razporeditev zagotavlja, da kapacitivno sklopljeni tokovi zanke oklopa tečejo v nasprotnih smereh na vsaki polovici oklopa, kar odpravlja učinke induktivne sklopitve. Poleg tega morajo biti konci ščita izolirani drug od drugega, da se prepreči nastanek zaprte zanke.

 

Za visokonapetostne izhode je mogoče RFI ščit namestiti med izhodne usmerniške diode in njihove toplotne odvode. Za nizke sekundarne napetosti, kot je 12 V ali manj, so sekundarni transformatorski ščiti RFI in usmerniški ščiti na splošno nepotrebni. V takšnih primerih lahko namestitev dušilke izhodnega filtra v vezje izolira toplotno telo diode od RF napetosti, s čimer se odpravi potreba po zaščiti. Če so toplotni odvodi diod in tranzistorjev popolnoma izolirani od ohišja (npr. ko so nameščeni na PCB), je elektrostatična zaščita pogosto nepotrebna.

 

Feritni povratni transformatorji in visokofrekvenčni induktorji imajo pogosto velike zračne reže v magnetni poti za nadzor induktivnosti ali preprečevanje nasičenja. Te zračne reže lahko shranijo precej energije in sevajo elektromagnetna polja (EMI), razen če so ustrezno zaščitene. To sevanje lahko moti preklopni napajalnik ali bližnjo opremo in lahko preseže standarde sevanega EMI.

 

EMI sevanje iz zračnih rež je največje, ko je zunanje jedro razporejeno ali ko so reže enakomerno porazdeljene med poli. Koncentracija zračne reže v srednjem polu lahko zmanjša sevanje za 6 dB ali več. Nadaljnje zmanjšanje je možno s popolnoma zaprtim lončastim jedrom, ki koncentrira režo v srednjem polu, čeprav se lončasta jedra redko uporabljajo v aplikacijah brez povezave zaradi zahtev glede plazilne poti pri višjih napetostih.

 

Za jedra z režami okoli obodnih polov lahko bakren ščit, ki obdaja transformator, znatno oslabi sevanje. Ta ščit mora tvoriti sklenjeno zanko okoli transformatorja, osredotočeno na zračno režo, in obsegati približno 30% širine navitja bobina. Za največjo učinkovitost mora biti debelina bakra vsaj 0,01 palca.

 

Čeprav je zaščita učinkovita, povzroča izgube zaradi vrtinčnih tokov, kar zmanjšuje splošno učinkovitost. Za periferne zračne reže lahko izgube v oklopu dosežejo 1 % nazivne izhodne moči naprave. Nasprotno pa vrzeli med sredinskimi polami povzročijo minimalne izgube v oklopu, vendar še vedno zmanjšajo učinkovitost zaradi povečanih izgub v navitju. Zato je treba zaščito uporabiti le, kadar je to potrebno. V mnogih primerih za izpolnjevanje standardov EMI zadošča, da napajalnik ali napravo zaprete v kovinsko ohišje. Vendar je v terminalskih napravah z video zaslonom pogosto potrebna oklop transformatorja, da se prepreči elektromagnetna interferenca z elektronskim žarkom CRT.

 

Dodatno toploto, ustvarjeno v bakrenem ščitu, je mogoče odvesti prek hladilnega telesa ali preusmeriti na ohišje, da se ohrani stabilnost delovanja.