محافظ الکترواستاتیک برای آداپتورهای برق سوئیچینگ

یکی از چالش برانگیزترین مشخصات در طراحی آداپتورهای برق سوئیچینگ، کاهش جریان رسانایی RFI (تداخل فرکانس رادیویی) در حالت مشترک به سطح قابل قبولی است. این نویز هدایت شده عمدتاً توسط الکتریسیته ساکن انگلی و جفت الکترومغناطیسی بین اجزای سوئیچینگ قدرت و صفحه زمین ایجاد می شود. هواپیمای زمین بسته به نوع تجهیزات الکترونیکی ممکن است از شاسی، کابینت یا سیم زمین تشکیل شده باشد.

 

طراحان آداپتورهای برق سوئیچینگ باید کل طرح را به طور کامل بررسی کنند، مناطق مستعد چنین مشکلاتی را شناسایی کنند و اقدامات محافظ مناسب را در مرحله طراحی اجرا کنند. اصلاح طراحی نامناسب RFI در مراحل بعدی اغلب دشوار است.

 

در اکثر برنامه ها ، محافظ الکترواستاتیک در هر جا که با فرکانس بالا ، شکل موج های سوئیچینگ با ولتاژ بالا ممکن است به صورت خازنی با هواپیمای زمین یا خروجی ثانویه جفت شود. این امر به ویژه در جایی مهم است که ترانزیستورهای برق و دیودهای یکسو کننده روی سینک های گرما که با شاسی اصلی تماس می گیرند سوار می شوند. علاوه بر این ، میدان های مغناطیسی و اتصال خازنی ممکن است سر و صدای اجزای یا خطوط حامل جریان های پالس سوئیچینگ بزرگ را معرفی کند. مناطق مشکل بالقوه شامل یکسو کننده خروجی ، خازن خروجی نصب شده بر روی شاسی و اتصال خازنی بین اصلی ، ثانویه و هسته ترانسفورماتور اصلی سوئیچینگ و همچنین سایر ترانسفورماتورهای درایو یا کنترل است.

 

هنگامی که قطعات بر روی سینک های حرارتی نصب می شوند که به صورت حرارتی به شاسی متصل می شوند ، با قرار دادن یک سپر الکترواستاتیک بین مؤلفه تداخل و سینک گرما می توان جفت خازنی ناخواسته را کاهش داد. این سپر ، که به طور معمول از مس ساخته شده است ، باید از سینک گرما و مؤلفه (به عنوان مثال ، ترانزیستور یا دیود) عایق بندی شود. این جریان جریان های AC به صورت خازنی را مسدود می کند ، که سپس به یک نقطه مرجع مناسب در مدار ورودی هدایت می شوند. برای اجزای اولیه ، این نقطه مرجع به طور معمول ترمینال منفی مشترک خط منبع تغذیه DC ، در نزدیکی دستگاه سوئیچینگ است. برای مؤلفه های ثانویه ، نقطه مرجع معمولاً ترمینال مشترک است که جریان جریان به سمت ثانویه ترانسفورماتور باز می گردد.

 

ترانزیستور قدرت سوئیچینگ اولیه، شکل موج پالس سوئیچینگ با ولتاژ بالا و فرکانس بالا تولید می کند. بدون محافظ کافی بین محفظه ترانزیستور و شاسی، جریان های نویز قابل توجهی می توانند از طریق ظرفیت بین آنها جفت شوند. یک محافظ مسی قرار داده شده در مدار، جریان قابل توجهی را از طریق ظرفیت خازنی به سینک حرارتی تزریق می کند. هیت سینک به نوبه خود ولتاژ AC با فرکانس بالا نسبتاً کمی را در مورد شاسی یا صفحه زمین حفظ می کند. طراحان باید مناطق مشکل مشابه را شناسایی کرده و در صورت لزوم از محافظ استفاده کنند.

 

برای جلوگیری از جریان RF بین سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه یا بین سپر ایمنی اولیه و زمینی، ترانسفورماتورهای کلید اصلی معمولاً دارای یک محافظ الکترواستاتیک RFI حداقل روی سیم‌پیچ اولیه هستند. در برخی موارد، ممکن است یک سپر ایمنی اضافی بین سیم پیچ اولیه و ثانویه مورد نیاز باشد. سپرهای الکترواستاتیک RFI از نظر ساختار، موقعیت و اتصال با سپرهای ایمنی متفاوت هستند. استانداردهای ایمنی مستلزم اتصال سپر ایمنی به صفحه زمین یا شاسی هستند، در حالی که سپر RFI معمولاً به مدار ورودی یا خروجی متصل است. سپرهای EMI و بلوک های ترمینال، ساخته شده از ورقه های مسی نازک، تنها جریان های کوچکی را حمل می کنند. با این حال، به دلایل ایمنی، سپر ایمنی باید حداقل سه برابر جریان نامی فیوز برق را تحمل کند.

 

در ترانسفورماتورهای برق سوئیچینگ آفلاین، سپر RFI نزدیک به سیم پیچ اولیه و ثانویه قرار می گیرد، در حالی که سپر ایمنی بین شیلدهای RFI قرار دارد. اگر به محافظ RFI ثانویه نیاز نباشد، سپر ایمنی بین سپر اولیه RFI و هر سیم پیچ خروجی قرار می گیرد. برای اطمینان از ایزولاسیون مناسب، سپر اولیه RFI اغلب با DC از خط برق ورودی از طریق یک خازن سری جدا می‌شود، که معمولاً دارای رتبه 0.01 μF است.

 

سپر RFI ثانویه تنها زمانی استفاده می شود که حداکثر سرکوب نویز مورد نیاز باشد یا زمانی که ولتاژ خروجی بالا باشد. این محافظ به ترمینال مشترک خط خروجی متصل می شود. محافظ ترانسفورماتور باید به مقدار کم اعمال شود، زیرا ارتفاع اجزا و ابعاد سیم پیچ را افزایش می دهد و منجر به القای نشتی بیشتر و کاهش عملکرد می شود.

 

 

جریان های حلقه محافظ فرکانس بالا می تواند در طول سوئیچینگ گذرا قابل توجه باشد. برای جلوگیری از اتصال به سمت ثانویه از طریق عملکرد عادی ترانسفورماتور، نقطه اتصال محافظ باید در مرکز آن باشد، نه لبه های آن. این چیدمان تضمین می کند که جریان های حلقه سپر جفت شده خازنی در جهات مخالف در هر نیمه سپر جریان داشته و اثرات جفت القایی را از بین می برد. علاوه بر این، انتهای سپر باید از یکدیگر عایق بندی شوند تا از تشکیل یک حلقه بسته جلوگیری شود.

 

برای خروجی های ولتاژ بالا، محافظ RFI را می توان بین دیودهای یکسو کننده خروجی و هیت سینک آنها نصب کرد. برای ولتاژهای ثانویه کم، مانند 12 ولت یا پایین تر، سپرهای RFI ترانسفورماتور ثانویه و سپرهای یکسو کننده معمولاً غیر ضروری هستند. در چنین مواردی، قرار دادن چوک فیلتر خروجی در مدار می تواند سینک حرارتی دیود را از ولتاژ RF جدا کرده و نیاز به محافظ را از بین ببرد. اگر سینک های حرارتی دیود و ترانزیستور به طور کامل از شاسی جدا شده باشند (مثلاً هنگامی که روی PCB نصب می شوند)، محافظ الکترواستاتیک اغلب غیر ضروری است.

 

ترانسفورماتورهای فلای بک فریت و سلف های فرکانس بالا اغلب دارای شکاف های هوای قابل توجهی در مسیر مغناطیسی برای کنترل اندوکتانس یا جلوگیری از اشباع هستند. این شکاف‌های هوا می‌توانند انرژی قابل‌توجهی را ذخیره کرده و میدان‌های الکترومغناطیسی (EMI) تابش کنند، مگر اینکه به اندازه کافی محافظت شوند. این تشعشع می تواند با آداپتور برق سوئیچینگ یا تجهیزات مجاور تداخل داشته باشد و ممکن است از استانداردهای تابشی EMI فراتر رود.

 

تابش EMI از شکاف های هوا در هنگام شکستن هسته بیرونی یا هنگامی که شکاف ها به طور مساوی بین قطب ها توزیع می شوند ، بزرگترین است. تمرکز شکاف هوا در قطب میانی می تواند اشعه 6 دسی بل یا بیشتر را کاهش دهد. کاهش بیشتر با یک هسته گلدان کاملاً محصور که شکاف در قطب میانی را متمرکز می کند ، امکان پذیر است ، اگرچه هسته های گلدان به ندرت در برنامه های آفلاین به دلیل نیازهای فاصله خزنده در ولتاژهای بالاتر استفاده می شوند.

 

برای هسته هایی با شکاف در اطراف قطب های محیطی، یک سپر مسی که ترانسفورماتور را احاطه کرده است می تواند به طور قابل توجهی تشعشع را کاهش دهد. این سپر باید یک حلقه بسته در اطراف ترانسفورماتور، در مرکز شکاف هوا، تشکیل دهد و حدود 30٪ از عرض بوبین سیم پیچ باشد. برای به حداکثر رساندن راندمان، ضخامت مس باید حداقل 0.01 اینچ باشد.

 

در حالی که محافظ موثر است، تلفات جریان گردابی را ایجاد می کند و کارایی کلی را کاهش می دهد. برای شکاف های هوای محیطی، تلفات محافظ می تواند به 1٪ توان خروجی نامی دستگاه برسد. در مقابل، شکاف های قطب میانی باعث حداقل تلفات محافظ می شود، اما همچنان به دلیل افزایش تلفات سیم پیچ، کارایی را کاهش می دهد. بنابراین باید از محافظ فقط در صورت لزوم استفاده شود. در بسیاری از موارد، قرار دادن منبع تغذیه یا دستگاه در یک محفظه فلزی برای مطابقت با استانداردهای EMI کافی است. با این حال، در دستگاه های ترمینال نمایشگر ویدئویی، محافظ ترانسفورماتور اغلب برای جلوگیری از تداخل الکترومغناطیسی با پرتو الکترونی CRT مورد نیاز است.

 

گرمای اضافی تولید شده در سپر مس را می توان از طریق سینک گرما از بین برد یا برای حفظ ثبات عملیاتی به شاسی هدایت شد.