Blindage électrostatique pour les adaptateurs d'alimentation à découpage

L'une des spécifications les plus difficiles dans la conception d'adaptateurs d'alimentation à découpage consiste à réduire le courant RFI (interférence radiofréquence) conduit en mode commun à un niveau acceptable. Ce bruit conduit est principalement provoqué par l'électricité statique parasite et le couplage électromagnétique entre les composants de commutation de puissance et le plan de masse. Le plan de masse peut être constitué du châssis, de l'armoire ou du fil de terre, selon le type d'équipement électronique.

 

Les concepteurs d'adaptateurs secteur à découpage doivent examiner minutieusement l'ensemble de la configuration, identifier les zones sujettes à de tels problèmes et mettre en œuvre des mesures de protection appropriées pendant la phase de conception. Corriger une conception incorrecte de la RFI à des étapes ultérieures est souvent difficile.

 

Dans la plupart des applications, un blindage électrostatique est nécessaire partout où les formes d'onde de commutation haute fréquence et haute tension peuvent se coupler de manière capacitive avec le plan de masse ou la sortie secondaire. Ceci est particulièrement important lorsque les transistors de puissance de commutation et les diodes de redressement sont montés sur des dissipateurs thermiques en contact avec le châssis principal. De plus, les champs magnétiques et le couplage capacitif peuvent introduire du bruit dans les composants ou les lignes transportant d'importants courants d'impulsions de commutation. Les problèmes potentiels incluent le redresseur de sortie, le condensateur de sortie monté sur le châssis et le couplage capacitif entre le primaire, le secondaire et le noyau du transformateur de commutation principal, ainsi que d'autres transformateurs de commande ou de commande.

 

Lorsque les composants sont montés sur des dissipateurs thermiques connectés thermiquement au châssis, les couplages capacitifs indésirables peuvent être atténués en plaçant un écran électrostatique entre le composant interférent et le dissipateur thermique. Ce blindage, généralement en cuivre, doit être isolé à la fois du dissipateur thermique et du composant (par exemple, transistor ou diode). Il bloque les courants alternatifs à couplage capacitif, qui sont ensuite dirigés vers un point de référence pratique dans le circuit d'entrée. Pour les composants primaires, ce point de référence est généralement la borne négative commune de la ligne d'alimentation CC, à proximité du dispositif de commutation. Pour les composants secondaires, le point de référence est généralement la borne commune où le courant retourne vers le côté secondaire du transformateur.

 

Le transistor de puissance de commutation primaire génère des formes d'onde d'impulsion de commutation haute tension et haute fréquence. Sans blindage adéquat entre le boîtier du transistor et le châssis, des courants de bruit importants peuvent se coupler à travers la capacité qui les sépare. Un blindage en cuivre placé dans le circuit injecte tout courant important dans le dissipateur thermique via une capacité. Le dissipateur thermique, à son tour, maintient une tension alternative haute fréquence relativement faible concernant le châssis ou le plan de masse. Les concepteurs doivent identifier les zones problématiques similaires et appliquer un blindage si nécessaire.

 

Pour empêcher les courants RF de circuler entre les enroulements primaire et secondaire ou entre le blindage de sécurité primaire et mis à la terre, les transformateurs de commutation principaux incluent généralement un blindage RFI électrostatique sur au moins l'enroulement primaire. Dans certains cas, un écran de sécurité supplémentaire peut être nécessaire entre les enroulements primaire et secondaire. Les écrans RFI électrostatiques diffèrent des écrans de sécurité par leur construction, leur emplacement et leur connexion. Les normes de sécurité exigent que le blindage de sécurité soit connecté au plan de masse ou au châssis, tandis que le blindage RFI est généralement connecté au circuit d'entrée ou de sortie. Les blindages EMI et les borniers, constitués de fines feuilles de cuivre, ne transportent que de faibles courants. Cependant, pour des raisons de sécurité, le bouclier de sécurité doit résister à au moins trois fois le courant nominal du fusible de puissance.

 

Dans les transformateurs de puissance à découpage hors ligne, le blindage RFI est placé à proximité des enroulements primaire et secondaire, tandis que le blindage de sécurité est situé entre les blindages RFI. Si aucun blindage RFI secondaire n'est nécessaire, le blindage de sécurité est positionné entre le blindage RFI primaire et tous les enroulements de sortie. Pour garantir une isolation adéquate, le blindage RFI principal est souvent isolé en courant continu de la ligne d'alimentation d'entrée via un condensateur série, généralement évalué à 0,01 μF.

 

Le blindage RFI secondaire est utilisé uniquement lorsque la suppression maximale du bruit est requise ou lorsque la tension de sortie est élevée. Ce blindage se connecte à la borne commune de la ligne de sortie. Le blindage du transformateur doit être appliqué avec parcimonie, car il augmente la hauteur des composants et les dimensions des enroulements, entraînant une inductance de fuite plus élevée et une dégradation des performances.

 

 

Les courants de boucle de blindage haute fréquence peuvent être importants lors des transitoires de commutation. Pour éviter le couplage au côté secondaire lors du fonctionnement normal du transformateur, le point de connexion du blindage doit être en son centre et non sur ses bords. Cet agencement garantit que les courants de boucle de blindage à couplage capacitif circulent dans des directions opposées sur chaque moitié du blindage, éliminant ainsi les effets de couplage inductif. De plus, les extrémités du blindage doivent être isolées les unes des autres pour éviter de former une boucle fermée.

 

Pour les sorties haute tension, le blindage RFI peut être installé entre les diodes de redressement de sortie et leurs dissipateurs thermiques. Pour les faibles tensions secondaires, telles que 12 V ou moins, les blindages RFI du transformateur secondaire et les blindages du redresseur sont généralement inutiles. Dans de tels cas, placer la self du filtre de sortie dans le circuit peut isoler le dissipateur thermique de la diode de la tension RF, éliminant ainsi le besoin de blindage. Si les dissipateurs thermiques des diodes et des transistors sont entièrement isolés du châssis (par exemple, lorsqu'ils sont montés sur un PCB), un blindage électrostatique est souvent inutile.

 

Les transformateurs flyback en ferrite et les inductances haute fréquence ont souvent des entrefers importants dans le chemin magnétique pour contrôler l'inductance ou empêcher la saturation. Ces entrefers peuvent stocker une énergie considérable, rayonnant des champs électromagnétiques (EMI) à moins qu’ils ne soient correctement protégés. Ce rayonnement peut interférer avec l'adaptateur secteur à découpage ou l'équipement à proximité et peut dépasser les normes EMI rayonnées.

 

Le rayonnement EMI provenant des entrefers est plus important lorsque le noyau externe est espacé ou lorsque les espaces sont uniformément répartis entre les pôles. La concentration de l'entrefer dans le pôle central peut réduire le rayonnement de 6 dB ou plus. Une réduction supplémentaire est possible avec un noyau en pot entièrement fermé qui concentre l'espace dans le pôle central, bien que les noyaux en pot soient rarement utilisés dans les applications hors ligne en raison des exigences de ligne de fuite à des tensions plus élevées.

 

Pour les noyaux présentant des espaces autour des poteaux périphériques, un blindage en cuivre entourant le transformateur peut atténuer considérablement le rayonnement. Ce blindage doit former une boucle fermée autour du transformateur, centrée sur l'entrefer, et représenter environ 30 % de la largeur de la bobine d'enroulement. Pour maximiser l'efficacité, l'épaisseur du cuivre doit être d'au moins 0,01 pouce.

 

Bien que le blindage soit efficace, il introduit des pertes par courants de Foucault, réduisant ainsi l'efficacité globale. Pour les entrefers périphériques, les pertes de blindage peuvent atteindre 1 % de la puissance de sortie nominale de l'appareil. En revanche, les écarts entre les pôles intermédiaires entraînent des pertes de blindage minimes mais réduisent néanmoins l'efficacité en raison de l'augmentation des pertes dans les enroulements. Le blindage ne doit donc être utilisé que lorsque cela est nécessaire. Dans de nombreux cas, il suffit d'enfermer l'alimentation ou l'appareil dans un boîtier métallique pour répondre aux normes EMI. Cependant, dans les terminaux d'affichage vidéo, un blindage du transformateur est souvent nécessaire pour empêcher les interférences électromagnétiques avec le faisceau d'électrons du tube cathodique.

 

La chaleur supplémentaire générée dans le blindage en cuivre peut être dissipée via un dissipateur thermique ou redirigée vers le châssis pour maintenir la stabilité opérationnelle.