Anahtarlama Güç Adaptörleri için Elektrostatik Koruma

Anahtarlamalı güç adaptörlerinin tasarımındaki en zorlu özelliklerden biri, ortak modda iletilen RFI (Radyo Frekansı Girişimi) akımını kabul edilebilir bir seviyeye düşürmektir. İletilen bu gürültü esas olarak parazitik statik elektrikten ve güç anahtarlama bileşenleri ile yer düzlemi arasındaki elektromanyetik bağlantıdan kaynaklanır. Zemin düzlemi, elektronik ekipmanın türüne bağlı olarak şasi, kabin veya topraklama kablosundan oluşabilir.

 

Anahtarlamalı güç adaptörlerinin tasarımcıları, tasarım aşamasında tüm düzeni kapsamlı bir şekilde incelemeli, bu tür sorunlara yatkın alanları belirlemeli ve uygun koruma önlemlerini uygulamalıdır. Uygun olmayan RFI tasarımını sonraki aşamalarda düzeltmek genellikle zordur.

 

Çoğu uygulamada, yüksek frekanslı, yüksek voltajlı anahtarlama dalga biçimlerinin yer düzlemi veya ikincil çıkışla kapasitif olarak bağlanabildiği yerlerde elektrostatik koruma gereklidir. Bu, özellikle anahtarlamalı güç transistörlerinin ve doğrultucu diyotların ana şasiye temas eden ısı alıcılara monte edildiği durumlarda önemlidir. Ek olarak, manyetik alanlar ve kapasitif bağlantı, büyük anahtarlama darbe akımları taşıyan bileşenlerde veya hatlarda gürültüye neden olabilir. Potansiyel sorunlu alanlar arasında çıkış redresörü, şasiye monte edilmiş çıkış kapasitörü ve ana anahtarlama transformatörünün birincil, ikincil ve çekirdeği ile diğer sürücü veya kontrol transformatörleri arasındaki kapasitif bağlantı yer alır.

 

Bileşenler, kasaya termal olarak bağlanan ısı emicilere monte edildiğinde, istenmeyen kapasitif bağlantı, müdahale eden bileşen ile ısı emici arasına bir elektrostatik koruma yerleştirilerek azaltılabilir. Tipik olarak bakırdan yapılan bu kalkanın hem soğutucudan hem de bileşenden (örn. transistör veya diyot) yalıtılması gerekir. Kapasitif olarak bağlanmış AC akımlarını bloke eder ve bunlar daha sonra giriş devresindeki uygun bir referans noktasına yönlendirilir. Birincil bileşenler için bu referans noktası tipik olarak DC güç kaynağı hattının anahtarlama cihazının yakınındaki ortak negatif terminalidir. İkincil bileşenler için referans noktası genellikle akımın transformatörün ikincil tarafına geri aktığı ortak terminaldir.

 

Birincil anahtarlama güç transistörü, yüksek voltajlı, yüksek frekanslı anahtarlama darbesi dalga formları üretir. Transistör kasası ile şasi arasında yeterli koruma olmadığında, aralarındaki kapasitans yoluyla önemli gürültü akımları birleşebilir. Devreye yerleştirilen bakır bir kalkan, kapasitans aracılığıyla önemli miktarda akımı soğutucuya enjekte eder. Isı emici ise şasiye veya zemin düzlemine ilişkin nispeten küçük bir yüksek frekanslı AC voltajını korur. Tasarımcılar benzer sorunlu alanları tespit etmeli ve gerektiğinde koruma uygulamalıdır.

 

RF akımlarının birincil ve ikincil sargılar arasında veya birincil ve topraklanmış güvenlik kalkanı arasında akmasını önlemek için ana anahtarlama transformatörleri tipik olarak en azından birincil sargı üzerinde bir elektrostatik RFI kalkanı içerir. Bazı durumlarda birincil ve ikincil sargılar arasında ek bir güvenlik kalkanı gerekebilir. Elektrostatik RFI kalkanları, yapıları, konumları ve bağlantıları bakımından güvenlik kalkanlarından farklılık gösterir. Güvenlik standartları, güvenlik kalkanının toprak düzlemine veya şasiye bağlanmasını gerektirirken, RFI kalkanı genellikle giriş veya çıkış devresine bağlanır. İnce bakır levhalardan yapılmış EMI ekranları ve terminal blokları yalnızca küçük akımlar taşır. Ancak güvenlik nedeniyle güvenlik kalkanı, güç sigortasının nominal akımının en az üç katına dayanmalıdır.

 

Çevrimdışı anahtarlamalı güç transformatörlerinde, RFI kalkanı primer ve sekonder sargılara yakın yerleştirilirken, güvenlik kalkanı RFI kalkanlarının arasına yerleştirilir. İkincil RFI koruması gerekmiyorsa güvenlik kalkanı, birincil RFI koruması ile herhangi bir çıkış sargısı arasına yerleştirilir. Uygun izolasyonu sağlamak için, birincil RFI kalkanı genellikle 0,01 μF olarak derecelendirilen bir seri kapasitör aracılığıyla giriş güç hattından DC izolasyonludur.

 

İkincil RFI kalkanı yalnızca maksimum gürültü bastırmanın gerekli olduğu veya çıkış voltajının yüksek olduğu durumlarda kullanılır. Bu ekran çıkış hattının ortak terminaline bağlanır. Transformatör koruması, bileşen yüksekliğini ve sargı boyutlarını artırıp daha yüksek kaçak endüktansa ve performans düşüşüne yol açacağından dikkatli bir şekilde uygulanmalıdır.

 

 

Yüksek frekanslı koruma döngüsü akımları, geçiş geçişleri sırasında önemli olabilir. Transformatörün normal çalışması sırasında sekonder tarafa bağlanmayı önlemek için ekran bağlantı noktası kenarlarında değil merkezinde olmalıdır. Bu düzenleme, kapasitif olarak bağlanmış koruma döngüsü akımlarının, korumanın her bir yarısında zıt yönlerde akmasını sağlayarak, endüktif bağlantı etkilerini ortadan kaldırır. Ek olarak, kapalı bir döngü oluşmasını önlemek için ekranın uçları birbirinden yalıtılmalıdır.

 

Yüksek voltajlı çıkışlar için RFI koruması, çıkış doğrultucu diyotları ile bunların ısı emicileri arasına monte edilebilir. 12V veya daha düşük gibi düşük ikincil voltajlar için ikincil transformatör RFI korumaları ve doğrultucu korumaları genellikle gereksizdir. Bu gibi durumlarda, çıkış filtre bobininin devreye yerleştirilmesi, diyot ısı emicisini RF voltajından izole ederek koruma ihtiyacını ortadan kaldırabilir. Diyot ve transistör ısı emicileri kasadan tamamen izole edilmişse (örneğin bir PCB üzerine monte edildiğinde), elektrostatik koruma genellikle gereksizdir.

 

Ferrit geri dönüş transformatörleri ve yüksek frekanslı indüktörler, endüktansı kontrol etmek veya doymayı önlemek için genellikle manyetik yolda önemli hava boşluklarına sahiptir. Bu hava boşlukları, yeterince korunmadığı sürece elektromanyetik alanlar (EMI) yayan önemli miktarda enerji depolayabilir. Bu radyasyon, anahtarlamalı güç adaptörüne veya yakındaki ekipmanlara müdahale edebilir ve yayılan EMI standartlarını aşabilir.

 

Hava boşluklarından gelen EMI radyasyonu, dış çekirdek aralıklı olduğunda veya boşluklar kutuplar arasında eşit olarak dağıtıldığında en yüksektir. Hava boşluğunun orta kutupta yoğunlaştırılması radyasyonu 6 dB veya daha fazla azaltabilir. Orta kutuptaki boşluğu yoğunlaştıran tamamen kapalı bir pota çekirdeği ile daha fazla azalma mümkündür, ancak pota çekirdekleri daha yüksek voltajlarda kaçak mesafe gereksinimleri nedeniyle çevrimdışı uygulamalarda nadiren kullanılır.

 

Çevre kutupları çevresinde boşluk bulunan çekirdekler için, transformatörü çevreleyen bir bakır kalkan, radyasyonu önemli ölçüde azaltabilir. Bu kalkan, transformatörün etrafında, hava boşluğunun ortasında kapalı bir döngü oluşturmalı ve sarma bobini genişliğinin yaklaşık %30'i kadar olmalıdır. Verimliliği en üst düzeye çıkarmak için bakır kalınlığı en az 0,01 inç olmalıdır.

 

Koruma etkili olsa da, girdap akımı kayıplarına yol açarak genel verimliliği azaltır. Çevresel hava boşlukları için ekran kayıpları cihazın nominal çıkış gücünün %1'ine ulaşabilir. Orta kutup boşlukları, aksine, minimum düzeyde koruma kaybına neden olur ancak artan sargı kayıpları nedeniyle yine de verimliliği azaltır. Bu nedenle ekranlama yalnızca gerekli olduğunda kullanılmalıdır. Çoğu durumda, güç kaynağının veya cihazın metal bir muhafaza içine kapatılması EMI standartlarını karşılamak için yeterlidir. Bununla birlikte, video görüntüleme terminal cihazlarında, CRT elektron ışınıyla elektromanyetik girişimi önlemek için genellikle transformatör korumasına ihtiyaç duyulur.

 

Bakır kalkanda üretilen ilave ısı, bir ısı emici aracılığıyla dağıtılabilir veya çalışma kararlılığını korumak için kasaya yeniden yönlendirilebilir.