Blindagem eletrostática para adaptadores de energia de comutação

Uma das especificações mais desafiadoras no projeto de adaptadores de energia de comutação é reduzir a corrente RFI (interferência de radiofrequência) conduzida em modo comum a um nível aceitável. Este ruído conduzido é causado principalmente por eletricidade estática parasita e acoplamento eletromagnético entre os componentes de comutação de energia e o plano de aterramento. O plano de aterramento pode consistir no chassi, gabinete ou fio terra, dependendo do tipo de equipamento eletrônico.

 

Os projetistas de adaptadores de energia chaveados devem revisar minuciosamente todo o layout, identificar áreas propensas a tais problemas e implementar medidas de blindagem apropriadas durante a fase de projeto. A correção do projeto RFI inadequado em estágios posteriores costuma ser difícil.

 

Na maioria das aplicações, a blindagem eletrostática é necessária sempre que formas de onda de comutação de alta frequência e alta tensão podem se acoplar capacitivamente ao plano de terra ou à saída secundária. Isto é particularmente importante quando os transistores de potência chaveados e os diodos retificadores são montados em dissipadores de calor que entram em contato com o chassi principal. Além disso, os campos magnéticos e o acoplamento capacitivo podem introduzir ruído em componentes ou linhas que transportam grandes correntes de pulso de comutação. As possíveis áreas problemáticas incluem o retificador de saída, o capacitor de saída montado no chassi e o acoplamento capacitivo entre o primário, o secundário e o núcleo do transformador de comutação principal, bem como outros transformadores de acionamento ou controle.

 

Quando os componentes são montados em dissipadores de calor conectados termicamente ao chassi, o acoplamento capacitivo indesejado pode ser mitigado colocando uma blindagem eletrostática entre o componente interferente e o dissipador de calor. Esta blindagem, normalmente feita de cobre, deve ser isolada tanto do dissipador de calor quanto do componente (por exemplo, transistor ou diodo). Ele bloqueia correntes CA acopladas capacitivamente, que são então direcionadas para um ponto de referência conveniente no circuito de entrada. Para componentes primários, esse ponto de referência é normalmente o terminal negativo comum da linha de alimentação CC, próximo ao dispositivo de comutação. Para componentes secundários, o ponto de referência é geralmente o terminal comum onde a corrente flui de volta para o lado secundário do transformador.

 

O transistor de potência de comutação primário gera formas de onda de pulso de comutação de alta tensão e alta frequência. Sem blindagem adequada entre o invólucro do transistor e o chassi, correntes de ruído significativas podem ser acopladas através da capacitância entre eles. Uma blindagem de cobre colocada no circuito injeta qualquer corrente substancial no dissipador de calor por meio de capacitância. O dissipador de calor, por sua vez, mantém uma tensão CA de alta frequência relativamente pequena em relação ao chassi ou ao plano de aterramento. Os projetistas devem identificar áreas problemáticas semelhantes e aplicar blindagem quando necessário.

 

Para evitar que correntes de RF fluam entre os enrolamentos primário e secundário ou entre a blindagem de segurança primária e aterrada, os transformadores de comutação principais normalmente incluem uma blindagem RFI eletrostática em pelo menos o enrolamento primário. Em alguns casos, pode ser necessária uma blindagem de segurança adicional entre os enrolamentos primário e secundário. As blindagens eletrostáticas RFI diferem das blindagens de segurança em sua construção, localização e conexão. Os padrões de segurança exigem que a blindagem de segurança seja conectada ao plano de aterramento ou chassi, enquanto a blindagem RFI geralmente é conectada ao circuito de entrada ou saída. As blindagens e blocos de terminais EMI, feitos de finas folhas de cobre, transportam apenas pequenas correntes. Contudo, por razões de segurança, a blindagem de segurança deve suportar pelo menos três vezes a corrente nominal do fusível de potência.

 

Em transformadores de potência de comutação off-line, a blindagem RFI é colocada próxima aos enrolamentos primário e secundário, enquanto a blindagem de segurança está localizada entre as blindagens RFI. Se nenhuma blindagem RFI secundária for necessária, a blindagem de segurança será posicionada entre a blindagem RFI primária e quaisquer enrolamentos de saída. Para garantir o isolamento adequado, a blindagem RFI primária geralmente é isolada em CC da linha de alimentação de entrada por meio de um capacitor em série, normalmente classificado em 0,01 μF.

 

A blindagem RFI secundária é usada somente quando a supressão máxima de ruído é necessária ou quando a tensão de saída é alta. Esta blindagem se conecta ao terminal comum da linha de saída. A blindagem do transformador deve ser aplicada com moderação, pois aumenta a altura dos componentes e as dimensões do enrolamento, levando a uma maior indutância de vazamento e degradação do desempenho.

 

 

As correntes de loop de blindagem de alta frequência podem ser significativas durante transientes de comutação. Para evitar o acoplamento ao lado secundário durante a operação normal do transformador, o ponto de conexão da blindagem deve estar no centro e não nas bordas. Este arranjo garante que as correntes do circuito da blindagem acoplada capacitivamente fluam em direções opostas em cada metade da blindagem, eliminando efeitos de acoplamento indutivo. Além disso, as extremidades da blindagem devem ser isoladas uma da outra para evitar a formação de um circuito fechado.

 

Para saídas de alta tensão, a blindagem RFI pode ser instalada entre os diodos retificadores de saída e seus dissipadores de calor. Para tensões secundárias baixas, como 12 V ou inferiores, as blindagens RFI do transformador secundário e as blindagens do retificador geralmente são desnecessárias. Nesses casos, colocar o indutor do filtro de saída no circuito pode isolar o dissipador de calor do diodo da tensão de RF, eliminando a necessidade de blindagem. Se os dissipadores de calor do diodo e do transistor estiverem totalmente isolados do chassi (por exemplo, quando montados em uma placa de circuito impresso), a blindagem eletrostática geralmente é desnecessária.

 

Transformadores flyback de ferrite e indutores de alta frequência geralmente possuem lacunas de ar significativas no caminho magnético para controlar a indutância ou evitar a saturação. Esses entreferros podem armazenar energia considerável, irradiando campos eletromagnéticos (EMI), a menos que sejam adequadamente protegidos. Esta radiação pode interferir no adaptador de alimentação de comutação ou em equipamentos próximos e pode exceder os padrões EMI irradiados.

 

A radiação EMI das lacunas de ar é maior quando o núcleo externo está aberto ou quando as lacunas são distribuídas uniformemente entre os pólos. Concentrar o entreferro no pólo médio pode reduzir a radiação em 6 dB ou mais. Uma redução adicional é possível com um núcleo de potenciômetro totalmente fechado que concentra a lacuna no pólo médio, embora os núcleos de potenciômetro raramente sejam usados ​​em aplicações off-line devido aos requisitos de distância de fuga em tensões mais altas.

 

Para núcleos com lacunas em torno dos pólos perimetrais, uma blindagem de cobre envolvendo o transformador pode atenuar significativamente a radiação. Essa blindagem deve formar um circuito fechado ao redor do transformador, centralizado no entreferro e ter cerca de 30% da largura da bobina do enrolamento. Para maximizar a eficiência, a espessura do cobre deve ser de pelo menos 0,01 polegada.

 

Embora a blindagem seja eficaz, ela introduz perdas por correntes parasitas, reduzindo a eficiência geral. Para entreferros periféricos, as perdas na blindagem podem atingir 1% da potência nominal de saída do dispositivo. As lacunas nos pólos médios, por outro lado, causam perdas mínimas na blindagem, mas ainda reduzem a eficiência devido ao aumento das perdas no enrolamento. A blindagem deve, portanto, ser usada somente quando necessário. Em muitos casos, colocar a fonte de alimentação ou o dispositivo em uma caixa metálica é suficiente para atender aos padrões EMI. No entanto, em dispositivos terminais de exibição de vídeo, a blindagem do transformador é frequentemente necessária para evitar interferência eletromagnética com o feixe de elétrons do CRT.

 

O calor adicional gerado na blindagem de cobre pode ser dissipado através de um dissipador de calor ou redirecionado para o chassi para manter a estabilidade operacional.