Blindaje electrostático para adaptadores de corriente conmutados

Una de las especificaciones más desafiantes en el diseño de adaptadores de corriente conmutados es reducir la corriente RFI (interferencia de radiofrecuencia) conducida en modo común a un nivel aceptable. Este ruido conducido es causado principalmente por la electricidad estática parásita y el acoplamiento electromagnético entre los componentes de conmutación de potencia y el plano de tierra. El plano de tierra puede consistir en el chasis, el gabinete o el cable de tierra, según el tipo de equipo electrónico.

 

Los diseñadores de adaptadores de corriente conmutados deben revisar minuciosamente todo el diseño, identificar áreas propensas a tales problemas e implementar medidas de protección adecuadas durante la fase de diseño. Corregir el diseño incorrecto de RFI en etapas posteriores suele ser difícil.

 

En la mayoría de las aplicaciones, el blindaje electrostático es necesario siempre que las formas de onda de conmutación de alta frecuencia y alto voltaje puedan acoplarse capacitivamente con el plano de tierra o la salida secundaria. Esto es particularmente importante cuando los transistores de potencia conmutados y los diodos rectificadores están montados en disipadores de calor que hacen contacto con el chasis principal. Además, los campos magnéticos y el acoplamiento capacitivo pueden introducir ruido en componentes o líneas que transportan grandes corrientes de pulso de conmutación. Las áreas potenciales de problemas incluyen el rectificador de salida, el capacitor de salida montado en el chasis y el acoplamiento capacitivo entre el primario, el secundario y el núcleo del transformador de conmutación principal, así como otros transformadores de accionamiento o control.

 

Cuando los componentes se montan en disipadores de calor conectados térmicamente al chasis, el acoplamiento capacitivo no deseado se puede mitigar colocando una protección electrostática entre el componente que interfiere y el disipador de calor. Este blindaje, normalmente hecho de cobre, debe estar aislado tanto del disipador de calor como del componente (por ejemplo, transistor o diodo). Bloquea las corrientes CA acopladas capacitivamente, que luego se dirigen a un punto de referencia conveniente en el circuito de entrada. Para los componentes primarios, este punto de referencia suele ser el terminal negativo común de la línea de alimentación de CC, cerca del dispositivo de conmutación. Para los componentes secundarios, el punto de referencia suele ser el terminal común donde la corriente regresa al lado secundario del transformador.

 

El transistor de potencia de conmutación primario genera formas de onda de pulso de conmutación de alta frecuencia y alto voltaje. Sin un blindaje adecuado entre la caja del transistor y el chasis, se pueden acoplar importantes corrientes de ruido a través de la capacitancia entre ellos. Un escudo de cobre colocado en el circuito inyecta cualquier corriente sustancial en el disipador de calor a través de capacitancia. El disipador de calor, a su vez, mantiene un voltaje CA de alta frecuencia relativamente pequeño con respecto al chasis o al plano de tierra. Los diseñadores deben identificar áreas problemáticas similares y aplicar blindaje cuando sea necesario.

 

Para evitar que fluyan corrientes de RF entre los devanados primario y secundario o entre el blindaje de seguridad primario y el conectado a tierra, los transformadores de conmutación principales suelen incluir un blindaje de RFI electrostático en al menos el devanado primario. En algunos casos, puede ser necesaria una protección de seguridad adicional entre los devanados primario y secundario. Los escudos RFI electrostáticos se diferencian de los escudos de seguridad en su construcción, ubicación y conexión. Los estándares de seguridad requieren que el blindaje de seguridad se conecte al plano de tierra o al chasis, mientras que el blindaje RFI generalmente está conectado al circuito de entrada o salida. Los escudos EMI y los bloques de terminales, hechos de finas láminas de cobre, transportan sólo pequeñas corrientes. Sin embargo, por razones de seguridad, el escudo de seguridad debe soportar al menos tres veces la corriente nominal del fusible de potencia.

 

En los transformadores de potencia de conmutación fuera de línea, el blindaje RFI se coloca cerca de los devanados primario y secundario, mientras que el blindaje de seguridad se encuentra entre los blindajes RFI. Si no se necesita ningún blindaje RFI secundario, el blindaje de seguridad se coloca entre el blindaje RFI primario y cualquier devanado de salida. Para garantizar un aislamiento adecuado, el blindaje RFI primario suele estar aislado en CC de la línea de alimentación de entrada a través de un condensador en serie, normalmente clasificado en 0.01 μF.

 

El blindaje RFI secundario se utiliza sólo cuando se requiere la máxima supresión de ruido o cuando el voltaje de salida es alto. Este blindaje se conecta al terminal común de la línea de salida. El blindaje del transformador debe aplicarse con moderación, ya que aumenta la altura de los componentes y las dimensiones del devanado, lo que provoca una mayor inductancia de fuga y una degradación del rendimiento.

 

 

Las corrientes de bucle de blindaje de alta frecuencia pueden ser significativas durante los transitorios de conmutación. Para evitar el acoplamiento al lado secundario durante el funcionamiento normal del transformador, el punto de conexión del blindaje debe estar en su centro, no en sus bordes. Esta disposición garantiza que las corrientes del bucle de blindaje acoplado capacitivamente fluyan en direcciones opuestas en cada mitad del blindaje, eliminando los efectos de acoplamiento inductivo. Además, los extremos del blindaje deben estar aislados entre sí para evitar que se forme un circuito cerrado.

 

Para salidas de alto voltaje, el blindaje RFI se puede instalar entre los diodos rectificadores de salida y sus disipadores de calor. Para voltajes secundarios bajos, como 12 V o menos, los blindajes RFI del transformador secundario y los blindajes del rectificador generalmente son innecesarios. En tales casos, colocar el inductor del filtro de salida en el circuito puede aislar el disipador de calor del diodo del voltaje de RF, eliminando la necesidad de blindaje. Si los disipadores de calor de diodos y transistores están completamente aislados del chasis (por ejemplo, cuando se montan en una PCB), el blindaje electrostático suele ser innecesario.

 

Los transformadores de retorno de ferrita y los inductores de alta frecuencia a menudo tienen espacios de aire importantes en la ruta magnética para controlar la inductancia o evitar la saturación. Estos espacios de aire pueden almacenar una energía considerable, irradiando campos electromagnéticos (EMI), a menos que estén adecuadamente protegidos. Esta radiación puede interferir con el adaptador de corriente conmutada o el equipo cercano y puede exceder los estándares de EMI radiada.

 

La radiación EMI de los espacios de aire es mayor cuando el núcleo exterior está separado o cuando los espacios están distribuidos uniformemente entre los polos. Concentrar el espacio de aire en el polo medio puede reducir la radiación en 6 dB o más. Es posible una mayor reducción con un núcleo de pote completamente cerrado que concentra el espacio en el polo medio, aunque los núcleos de pote rara vez se utilizan en aplicaciones fuera de línea debido a los requisitos de distancia de fuga en voltajes más altos.

 

Para núcleos con espacios alrededor de los polos perimetrales, un blindaje de cobre que rodee el transformador puede atenuar significativamente la radiación. Este blindaje debe formar un circuito cerrado alrededor del transformador, centrado en el entrehierro, y ser aproximadamente el 30% del ancho de la bobina de bobinado. Para maximizar la eficiencia, el espesor del cobre debe ser de al menos 0,01 pulgadas.

 

Si bien el blindaje es eficaz, introduce pérdidas por corrientes parásitas, lo que reduce la eficiencia general. Para espacios de aire periféricos, las pérdidas del blindaje pueden alcanzar el 1% de la potencia de salida nominal del dispositivo. Por el contrario, los espacios entre los polos medios causan pérdidas mínimas en el blindaje, pero aun así reducen la eficiencia debido al aumento de las pérdidas en el devanado. Por lo tanto, el blindaje sólo debe utilizarse cuando sea necesario. En muchos casos, encerrar la fuente de alimentación o el dispositivo en una carcasa metálica es suficiente para cumplir con los estándares EMI. Sin embargo, en los dispositivos terminales de visualización de vídeo, a menudo se requiere blindaje de transformador para evitar interferencias electromagnéticas con el haz de electrones del CRT.

 

El calor adicional generado en el blindaje de cobre se puede disipar mediante un disipador de calor o redirigir al chasis para mantener la estabilidad operativa.