Elektrostatische Abschirmung für Schaltnetzteile

Eine der anspruchsvollsten Spezifikationen bei der Entwicklung von Schaltnetzteilen ist die Reduzierung des Gleichtakt-RFI-Stroms (Radio Frequency Interference) auf ein akzeptables Maß. Dieses leitungsgebundene Rauschen wird hauptsächlich durch parasitäre statische Elektrizität und elektromagnetische Kopplung zwischen Leistungsschaltkomponenten und der Masseebene verursacht. Die Erdungsebene kann je nach Art der elektronischen Ausrüstung aus dem Chassis, dem Gehäuse oder dem Erdungskabel bestehen.

 

Entwickler von Schaltnetzteilen sollten das gesamte Layout gründlich überprüfen, Bereiche identifizieren, die für solche Probleme anfällig sind, und während der Entwurfsphase geeignete Abschirmungsmaßnahmen implementieren. Es ist oft schwierig, ein falsches RFI-Design in späteren Phasen zu korrigieren.

 

In den meisten Anwendungen ist eine elektrostatische Abschirmung überall dort erforderlich, wo Hochfrequenz- und Hochspannungsschaltwellenformen kapazitiv mit der Masseebene oder dem Sekundärausgang gekoppelt werden können. Dies ist besonders wichtig, wenn Schaltleistungstransistoren und Gleichrichterdioden auf Kühlkörpern montiert sind, die Kontakt zum Hauptchassis haben. Darüber hinaus können Magnetfelder und kapazitive Kopplung zu Störungen in Komponenten oder Leitungen führen, die große Schaltimpulsströme führen. Mögliche Problembereiche sind der Ausgangsgleichrichter, der am Chassis montierte Ausgangskondensator und die kapazitive Kopplung zwischen Primär-, Sekundär- und Kern des Hauptschalttransformators sowie anderer Antriebs- oder Steuertransformatoren.

 

Wenn Komponenten auf Kühlkörpern montiert werden, die thermisch mit dem Gehäuse verbunden sind, kann unerwünschte kapazitive Kopplung gemildert werden, indem eine elektrostatische Abschirmung zwischen der störenden Komponente und dem Kühlkörper angebracht wird. Diese Abschirmung besteht normalerweise aus Kupfer und muss sowohl vom Kühlkörper als auch von der Komponente (z. B. Transistor oder Diode) isoliert werden. Es blockiert kapazitiv gekoppelte Wechselströme, die dann zu einem geeigneten Referenzpunkt im Eingangskreis geleitet werden. Bei Primärkomponenten ist dieser Bezugspunkt typischerweise der gemeinsame Minuspol der Gleichstromversorgungsleitung in der Nähe des Schaltgeräts. Bei Sekundärkomponenten ist der Bezugspunkt normalerweise der gemeinsame Anschluss, an dem der Strom zurück zur Sekundärseite des Transformators fließt.

 

Der primäre Schaltleistungstransistor erzeugt Schaltimpulswellenformen mit hoher Spannung und hoher Frequenz. Ohne ausreichende Abschirmung zwischen dem Transistorgehäuse und dem Chassis können erhebliche Rauschströme durch die Kapazität zwischen ihnen gekoppelt werden. Eine im Stromkreis platzierte Kupferabschirmung leitet über die Kapazität einen erheblichen Strom in den Kühlkörper ein. Der Kühlkörper wiederum hält eine relativ kleine hochfrequente Wechselspannung in Bezug auf das Chassis oder die Grundplatte aufrecht. Designer sollten ähnliche Problembereiche identifizieren und bei Bedarf Abschirmungen anbringen.

 

Um zu verhindern, dass HF-Ströme zwischen Primär- und Sekundärwicklung oder zwischen der Primär- und der geerdeten Sicherheitsabschirmung fließen, verfügen Hauptschalttransformatoren typischerweise über eine elektrostatische RFI-Abschirmung zumindest auf der Primärwicklung. In manchen Fällen kann eine zusätzliche Schutzabschirmung zwischen Primär- und Sekundärwicklung erforderlich sein. Elektrostatische RFI-Abschirmungen unterscheiden sich von Sicherheitsabschirmungen in ihrer Konstruktion, Lage und Verbindung. Sicherheitsstandards verlangen, dass die Sicherheitsabschirmung mit der Masseplatte oder dem Gehäuse verbunden wird, während die RFI-Abschirmung normalerweise mit dem Eingangs- oder Ausgangskreis verbunden wird. EMI-Abschirmungen und Anschlussklemmenblöcke aus dünnen Kupferblechen führen nur geringe Ströme. Aus Sicherheitsgründen muss die Schutzabschirmung jedoch mindestens dem dreifachen Nennstrom der Netzsicherung standhalten.

 

Bei Offline-Schalttransformatoren wird die RFI-Abschirmung in der Nähe der Primär- und Sekundärwicklung platziert, während sich die Sicherheitsabschirmung zwischen den RFI-Abschirmungen befindet. Wenn keine sekundäre RFI-Abschirmung erforderlich ist, wird die Sicherheitsabschirmung zwischen der primären RFI-Abschirmung und etwaigen Ausgangswicklungen positioniert. Um eine ordnungsgemäße Isolierung sicherzustellen, ist die primäre RFI-Abschirmung häufig über einen Reihenkondensator mit einer Nennleistung von typischerweise 0,01 μF gleichstromisoliert von der Eingangsstromleitung.

 

Die sekundäre RFI-Abschirmung wird nur verwendet, wenn maximale Rauschunterdrückung erforderlich ist oder wenn die Ausgangsspannung hoch ist. Diese Abschirmung wird an den gemeinsamen Anschluss der Ausgangsleitung angeschlossen. Die Abschirmung von Transformatoren sollte sparsam angewendet werden, da sie die Höhe der Komponenten und die Wicklungsabmessungen erhöht, was zu einer höheren Streuinduktivität und Leistungseinbußen führt.

 

 

Hochfrequente Schirmschleifenströme können bei Schalttransienten erheblich sein. Um eine Kopplung mit der Sekundärseite während des normalen Betriebs des Transformators zu verhindern, sollte der Schirmanschlusspunkt in der Mitte und nicht an den Rändern liegen. Durch diese Anordnung wird sichergestellt, dass die kapazitiv gekoppelten Schirmschleifenströme auf jeder Schirmhälfte in entgegengesetzte Richtungen fließen, wodurch induktive Kopplungseffekte vermieden werden. Darüber hinaus müssen die Enden der Abschirmung voneinander isoliert sein, um die Bildung einer geschlossenen Schleife zu vermeiden.

 

Bei Hochspannungsausgängen kann die RFI-Abschirmung zwischen den Ausgangsgleichrichterdioden und ihren Kühlkörpern installiert werden. Bei niedrigen Sekundärspannungen wie 12 V oder weniger sind Sekundärtransformator-RFI-Abschirmungen und Gleichrichterabschirmungen im Allgemeinen nicht erforderlich. In solchen Fällen kann durch die Platzierung der Ausgangsfilterdrossel im Stromkreis der Diodenkühlkörper von der HF-Spannung isoliert werden, sodass keine Abschirmung erforderlich ist. Wenn die Dioden- und Transistorkühlkörper vollständig vom Gehäuse isoliert sind (z. B. bei der Montage auf einer Leiterplatte), ist eine elektrostatische Abschirmung häufig nicht erforderlich.

 

Ferrit-Sperrtransformatoren und Hochfrequenzinduktivitäten weisen häufig erhebliche Luftspalte im Magnetpfad auf, um die Induktivität zu steuern oder eine Sättigung zu verhindern. Diese Luftspalte können beträchtliche Energie speichern und elektromagnetische Felder (EMI) abstrahlen, sofern sie nicht ausreichend abgeschirmt sind. Diese Strahlung kann das Schaltnetzteil oder Geräte in der Nähe stören und die EMI-Standards überschreiten.

 

Die EMI-Strahlung von Luftspalten ist am größten, wenn der äußere Kern Lücken aufweist oder wenn die Lücken gleichmäßig zwischen den Polen verteilt sind. Durch die Konzentration des Luftspalts im Mittelpol kann die Strahlung um 6 dB oder mehr reduziert werden. Eine weitere Reduzierung ist mit einem vollständig geschlossenen Topfkern möglich, der die Lücke im Mittelpol konzentriert, obwohl Topfkerne in Offline-Anwendungen aufgrund der Kriechstreckenanforderungen bei höheren Spannungen selten verwendet werden.

 

Bei Kernen mit Lücken um die Umfangspole kann eine den Transformator umgebende Kupferabschirmung die Strahlung erheblich dämpfen. Diese Abschirmung sollte eine geschlossene Schleife um den Transformator bilden, die auf dem Luftspalt zentriert ist, und etwa 30 % der Breite des Wicklungsspulenkörpers ausmachen. Um die Effizienz zu maximieren, sollte die Kupferdicke mindestens 0,01 Zoll betragen.

 

Die Abschirmung ist zwar wirksam, führt jedoch zu Wirbelstromverlusten, die den Gesamtwirkungsgrad verringern. Bei peripheren Luftspalten können die Schirmverluste 1 % der Nennausgangsleistung des Geräts erreichen. Im Gegensatz dazu führen mittlere Pollücken zu minimalen Schirmverlusten, verringern aber dennoch den Wirkungsgrad aufgrund erhöhter Wicklungsverluste. Abschirmungen sollten daher nur bei Bedarf eingesetzt werden. In vielen Fällen reicht es aus, das Netzteil oder Gerät in einem Metallgehäuse einzuschließen, um die EMI-Standards zu erfüllen. Bei Video-Anzeigegeräten ist jedoch häufig eine Transformatorabschirmung erforderlich, um elektromagnetische Störungen mit dem Elektronenstrahl der Kathodenstrahlröhre zu verhindern.

 

Die in der Kupferabschirmung zusätzlich erzeugte Wärme kann über einen Kühlkörper abgeführt oder an das Gehäuse weitergeleitet werden, um die Betriebsstabilität aufrechtzuerhalten.