开关电源适配器的静电屏蔽
发布时间:2023-03-08 15:13:52 浏览次数:713 作者:admin 返回列表

开关电源适配器设计中最困难的指标之一,是将共模传导RFI电流减少到一个可接受的范围之内。这种传导的电流噪声主要由寄生静电和各功率开关元件与接地线之间的电磁耦合造成。接地面可能是机壳、机柜、接地线,它取决于电子设备的类型。

开关电源适配器的设计者应该检验整个设计布局,识别出可能存在这些问题的区域,并在设计阶段引进合适的屏蔽方法。在后期阶段将会很难改正RFI设计不当的产品。

在大多数应用中,凡是高频、高压开关波形可能与接地面或副边输出有容性耦合的地方都要求有静电屏蔽。那些在散热片上安装开关功率管和整流二极管,而散热片又与主机壳接触的场合是典型的位置。此外,在有很大开关脉冲电流流过的元件或线路上,磁场和容性耦合都有可能产生噪声。其他可能有问题区域有输出整流器、安装在机壳上的输出电容、在主开关变压器上的原边、副边以及磁芯与其他驱动或者控制变压器的之间的容性耦合。

当零件安装在散热器上,而散热器又与机壳有热连接的时候,消除不希望有的容性耦合的常规方法是在会产生干扰的元件与散热器之间放置一个静电屏蔽。这种屏蔽一般是铜材质制成的,必须与散热器和晶体管或二极管都绝缘,由此屏蔽可拣拾容性耦合的交流电流并使之回流到输入电路的一个方便的参考点。对于原边元件来说,参考点一般是直流电源线的公共负端,它在开关器件附近。对于副边元件来说,参考点一般是电流流回变压器副边的公共端。

原边开关功率管具有高电压和高频开关脉冲波形,除非晶体管外壳与机壳之间有适当的屏蔽,否则将会通过它们之间的电容耦合一个很大的噪声电流。放置电路屏蔽层后,铜屏蔽将会通过电容注入任何显著的电流到散热器,它相对于机壳或接地面有一个相对小的高频交流电压。设计者会识别出可能出现问题的其他区域,在此区域可使用类似的屏蔽。

为了避免射频电流在原边和副边绕组之间或原边和接地的安全屏蔽之间流动,主开关变压器通常至少要在原边绕组加一个静电RFI屏蔽。在一些应用中,原边与副边绕组之间需要附加一个安全屏蔽。静电RFI屏蔽与安全屏蔽主要在结构、位置、连接方面有不同。安全标准要求安全屏蔽回路到接地面或机壳,而RFI屏蔽一般返回到输入或输出电路。EMI屏蔽和接线头由很轻薄的铜片做成,只需要传输很小的电流。然而,为了安全起见,安全屏蔽的额定电流必须必须至少是电源熔断器额定电流值的三倍。

在离线式开关电源变压器中使用的安全屏蔽和RFI屏蔽应用中,RFI屏蔽靠近原边和副边绕组,而安全屏蔽位于RFI屏蔽之间。如果不需要副边RFI屏蔽,那么安全屏蔽要位于原边RFI屏蔽的任何输出绕组之间。为进一步慎重地隔离,原边RFI屏蔽将通过一个串联电容与输入电力线进行直流隔离,此电容在额定隔离电压下一般为0.01uF就足够了。

只有当需要最大的噪声抑制或输出电压较高时,才使用副边侧RFI屏蔽,这个屏蔽将返回到输出线的公共端。只有在必要时才使用变压器屏蔽,因为它增加构件和绕组高度,会使漏电感增加并使性能变差。

高频屏蔽的回路电流在开关瞬变时可能相当大,为了防止这种电流通过一般的电源变压器作用耦合到副边,屏蔽的接线点应在其中央,而不应杂边沿。这样,容性耦合的屏蔽回路电流在屏蔽上各自的半边反方向流动,消除了所有的感应耦合效应。应该记住屏蔽的各末端必须互相绝缘,以避免形成闭合回路。

对于高压输出,RFI屏蔽可装在输出整流二极管与它们的散热器之间。如果副边电压较低,比如12V电压或者更低,则不需要副边变压器RFI屏蔽和整流器屏蔽。通过在回路上放置输出滤波扼流圈使二极管散热器免受RF电压影响,可以消除输出整流二极管对静电屏蔽额需要。如果二极管和晶体管额散热器完全与机壳隔离,如安装在PCB上那样,则在这些元件上就不一定需要静电屏蔽。

铁氧体反激式变压器和高频电感在磁路上通常有相对大的气隙,以此来确定电感或防止饱和。气隙的磁场能存储相当可观的能量。除非电源变压器或扼流圈被屏蔽了,否则将从气隙辐射电磁场(EMI),这会对开关电源适配器本身或周边设备造成干扰。而且,这种辐射的电磁场可能超过了辐射型EMI标准的限制。

当外侧铁心有气隙或者气隙均匀分布于柱片间时,气隙辐射出的电磁干扰最大。通过使气隙只集中在中间磁柱,这种辐射可减小6分贝或者更多。使用只有中间磁柱气隙的完全闭合的罐型磁芯,则辐射减小程度更大。然而对离线式应用来说,罐型磁芯并不常用,因为它一般不能满足较高电压时的爬电距离要求。

在周边磁柱有气隙的磁芯中,环绕变压器外部的附加铜屏蔽提供了很可观的辐射衰减。这个屏蔽应在变压器外部、周边磁柱和绕组形成一个完全的闭环且该回路以气隙为中心。屏蔽的宽度大约应为绕组骨架的30%,并且与绕组处于同一个平面。为了提高效率,其电阻必须最小,推荐使用厚度最少为0.01英寸的铜屏蔽。

因为有涡流损失和闭合环作用,这种屏蔽是很有效的。闭合环感应的电流将产生一个反磁动势来阻止辐射。在反激式开关电源中,屏蔽不应大于绕线骨架宽度的30%,因为太宽的屏蔽会出现磁芯饱和的问题。虽然屏蔽通常用于在周边磁柱有气隙的磁芯上,但它对在中间磁柱有气隙的变压器同样有效,两者的电磁辐射都可减小达12分贝。

然而,变压器屏蔽的应用却降低了开关电源适配器的效率。这是因为屏蔽中的涡流热效应,造成屏蔽中的附加功耗。如果气隙是在周边磁柱,则屏蔽上的功耗可达额定输出功率的1%,这取决于气隙的大小和装置的额定输出功率。在气隙只位于中间磁柱的应用中,安装屏蔽几乎不会增加功率损耗。然而,两者的总变压器效率大体上相同,因为中间磁柱气隙使变压器绕组增加了大约相同数量的损耗。

似乎只有付出附加功耗的代价才能获得变压器的有效磁屏蔽。因此,这种屏蔽只在必要的时候才能使用。在很多情况下,电源或主设备都有一个围起来的金属外壳,无需在增加变压器屏蔽已能满足EMI要求。当无金属外壳的开关电源被用于视频显示终端设备时,为了防止电磁耦合到CRT电子束而干扰显示,通常要求有变压器屏蔽。可用散热器或者从屏蔽到机壳的分流热量作用来传导走在外部铜屏蔽上产生的额外热量。


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