ระบบป้องกันไฟฟ้าสถิตสำหรับการสลับอะแดปเตอร์ไฟฟ้า

ข้อกำหนดที่ท้าทายที่สุดประการหนึ่งในการออกแบบอะแดปเตอร์จ่ายไฟแบบสวิตชิ่งคือการลดกระแส RFI (การรบกวนด้วยคลื่นวิทยุ) ในโหมดทั่วไปให้อยู่ในระดับที่ยอมรับได้ เสียงรบกวนที่ดำเนินการนี้ส่วนใหญ่เกิดจากไฟฟ้าสถิตย์ปรสิตและการมีเพศสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างส่วนประกอบที่เปลี่ยนพลังงานและระนาบกราวด์ ระนาบกราวด์อาจประกอบด้วยแชสซี ตู้ หรือสายกราวด์ ขึ้นอยู่กับประเภทของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

 

ผู้ออกแบบอะแดปเตอร์แปลงไฟแบบสวิตชิ่งควรตรวจสอบโครงร่างทั้งหมดอย่างละเอียด ระบุบริเวณที่มีแนวโน้มที่จะเกิดปัญหาดังกล่าว และใช้มาตรการป้องกันที่เหมาะสมในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ การแก้ไขการออกแบบ RFI ที่ไม่เหมาะสมในระยะหลังๆ มักเป็นเรื่องยาก

 

ในการใช้งานส่วนใหญ่ การป้องกันไฟฟ้าสถิตเป็นสิ่งจำเป็นในทุกที่ที่รูปคลื่นการสลับความถี่สูงและแรงดันสูงอาจจับคู่กับระนาบกราวด์หรือเอาต์พุตทุติยภูมิแบบเก็บประจุได้ นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งเมื่อติดตั้งทรานซิสเตอร์สวิตชิ่งกำลังและไดโอดเรียงกระแสบนแผงระบายความร้อนที่สัมผัสกับตัวเครื่องหลัก นอกจากนี้ สนามแม่เหล็กและการเชื่อมต่อแบบคาปาซิทีฟอาจทำให้เกิดสัญญาณรบกวนในส่วนประกอบหรือสายที่มีกระแสพัลส์สวิตชิ่งขนาดใหญ่ พื้นที่ปัญหาที่อาจเกิดขึ้น ได้แก่ วงจรเรียงกระแสเอาต์พุต ตัวเก็บประจุเอาต์พุตที่ติดตั้งอยู่บนแชสซี และการมีเพศสัมพันธ์แบบคาปาซิทีฟระหว่างตัวหลัก ตัวรอง และแกนของหม้อแปลงสวิตชิ่งหลัก เช่นเดียวกับไดรฟ์หรือหม้อแปลงควบคุมอื่น ๆ

 

เมื่อส่วนประกอบถูกติดตั้งบนแผงระบายความร้อนที่เชื่อมต่อทางความร้อนกับแชสซี การเชื่อมต่อแบบคาปาซิทีฟที่ไม่ต้องการสามารถบรรเทาลงได้ด้วยการวางแผงป้องกันไฟฟ้าสถิตระหว่างส่วนประกอบที่รบกวนและแผงระบายความร้อน แผงป้องกันนี้ซึ่งโดยทั่วไปแล้วทำจากทองแดง จะต้องหุ้มฉนวนจากทั้งตัวระบายความร้อนและส่วนประกอบ (เช่น ทรานซิสเตอร์หรือไดโอด) โดยจะบล็อกกระแสไฟฟ้ากระแสสลับควบคู่แบบคาปาซิคัล ซึ่งจะส่งตรงไปยังจุดอ้างอิงที่สะดวกในวงจรอินพุต สำหรับส่วนประกอบหลัก จุดอ้างอิงนี้โดยทั่วไปจะเป็นขั้วลบทั่วไปของสายจ่ายไฟ DC ใกล้กับอุปกรณ์สวิตชิ่ง สำหรับส่วนประกอบทุติยภูมิ จุดอ้างอิงมักจะเป็นขั้วต่อร่วมที่กระแสไหลกลับไปยังด้านทุติยภูมิของหม้อแปลง

 

ทรานซิสเตอร์กำลังสวิตชิ่งหลักจะสร้างรูปคลื่นพัลส์สวิตชิ่งความถี่สูงแรงดันสูง หากไม่มีการป้องกันที่เพียงพอระหว่างเคสทรานซิสเตอร์และแชสซี กระแสสัญญาณรบกวนที่สำคัญสามารถควบคู่ผ่านความจุไฟฟ้าระหว่างทั้งสองได้ ชิลด์ทองแดงที่อยู่ในวงจรจะฉีดกระแสจำนวนมากเข้าไปในแผงระบายความร้อนผ่านความจุไฟฟ้า ในทางกลับกัน แผงระบายความร้อนจะรักษาแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูงที่ค่อนข้างเล็กที่เกี่ยวข้องกับแชสซีหรือระนาบกราวด์ ผู้ออกแบบควรระบุปัญหาที่คล้ายคลึงกันและใช้การป้องกันตามความจำเป็น

 

เพื่อป้องกันไม่ให้กระแส RF ไหลระหว่างขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ หรือระหว่างแผงป้องกันความปลอดภัยหลักและสายดิน โดยทั่วไปแล้วหม้อแปลงสวิตชิ่งหลักจะมีแผงป้องกัน RFI ไฟฟ้าสถิตบนขดลวดปฐมภูมิเป็นอย่างน้อย ในบางกรณี อาจจำเป็นต้องมีแผงป้องกันความปลอดภัยเพิ่มเติมระหว่างขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ แผงป้องกันไฟฟ้าสถิต RFI แตกต่างจากแผงป้องกันความปลอดภัยในด้านโครงสร้าง ตำแหน่ง และการเชื่อมต่อ มาตรฐานความปลอดภัยจำเป็นต้องมีแผงป้องกันความปลอดภัยเพื่อเชื่อมต่อกับระนาบกราวด์หรือแชสซี ในขณะที่แผงป้องกัน RFI มักจะเชื่อมต่อกับวงจรอินพุตหรือเอาต์พุต แผงป้องกัน EMI และแผงขั้วต่อทำจากแผ่นทองแดงบางๆ นำกระแสได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น อย่างไรก็ตาม เพื่อเหตุผลด้านความปลอดภัย แผงป้องกันความปลอดภัยจะต้องทนกระแสไฟที่กำหนดของฟิวส์ไฟฟ้าได้อย่างน้อยสามเท่า

 

ในหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังแบบสวิตชิ่งแบบออฟไลน์ แผงป้องกัน RFI จะถูกวางไว้ใกล้กับขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ ในขณะที่แผงป้องกันความปลอดภัยจะอยู่ระหว่างแผงป้องกัน RFI หากไม่จำเป็นต้องใช้แผงป้องกัน RFI รอง แผงป้องกันความปลอดภัยจะอยู่ระหว่างแผงป้องกัน RFI หลักและขดลวดเอาท์พุตใดๆ เพื่อให้มั่นใจถึงการแยกส่วนที่เหมาะสม ชีลด์ RFI หลักมักจะถูกแยก DC จากสายไฟอินพุตผ่านตัวเก็บประจุแบบอนุกรม โดยทั่วไปพิกัดอยู่ที่ 0.01 μF

 

ชิลด์ RFI รองจะใช้เฉพาะเมื่อต้องการการลดเสียงรบกวนสูงสุดหรือเมื่อแรงดันเอาต์พุตสูง แผงป้องกันนี้เชื่อมต่อกับเทอร์มินัลทั่วไปของสายเอาท์พุต ควรใช้ฉนวนหุ้มหม้อแปลงเท่าที่จำเป็น เนื่องจากจะเพิ่มความสูงของส่วนประกอบและขนาดขดลวด ส่งผลให้ค่าความเหนี่ยวนำการรั่วไหลสูงขึ้นและประสิทธิภาพลดลง

 

 

กระแสชีลด์ลูปความถี่สูงอาจมีนัยสำคัญในระหว่างการสลับภาวะชั่วครู่ เพื่อป้องกันการเชื่อมต่อกับด้านทุติยภูมิผ่านการทำงานปกติของหม้อแปลง จุดเชื่อมต่อชีลด์ควรอยู่ที่ศูนย์กลาง ไม่ใช่ที่ขอบ การจัดเรียงนี้ช่วยให้แน่ใจว่ากระแสลูปของชีลด์คู่แบบคาปาซิคัลจะไหลไปในทิศทางตรงกันข้ามบนแต่ละครึ่งของชีลด์ ซึ่งช่วยลดผลกระทบจากการคัปปลิ้งแบบเหนี่ยวนำ นอกจากนี้ ปลายของชีลด์จะต้องหุ้มฉนวนจากกันเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดวงปิด

 

สำหรับเอาต์พุตไฟฟ้าแรงสูง สามารถติดตั้งชีลด์ RFI ระหว่างไดโอดเรียงกระแสเอาต์พุตและแผงระบายความร้อนได้ สำหรับแรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิต่ำ เช่น 12V หรือต่ำกว่า โดยทั่วไปแล้ว ชีลด์ RFI ของหม้อแปลงรองและชีลด์วงจรเรียงกระแสจะไม่จำเป็น ในกรณีเช่นนี้ การวางโช้คตัวกรองเอาต์พุตในวงจรสามารถแยกตัวระบายความร้อนของไดโอดออกจากแรงดันไฟฟ้า RF ได้ ซึ่งช่วยลดความจำเป็นในการป้องกัน หากตัวระบายความร้อนไดโอดและทรานซิสเตอร์แยกออกจากตัวเครื่องโดยสิ้นเชิง (เช่น เมื่อติดตั้งบน PCB) มักจะไม่จำเป็นต้องมีการป้องกันไฟฟ้าสถิต

 

หม้อแปลงฟลายแบ็กเฟอร์ไรต์และตัวเหนี่ยวนำความถี่สูงมักจะมีช่องว่างอากาศที่สำคัญในเส้นทางแม่เหล็กเพื่อควบคุมการเหนี่ยวนำหรือป้องกันการอิ่มตัว ช่องว่างอากาศเหล่านี้สามารถกักเก็บพลังงานได้มาก โดยปล่อยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) เว้นแต่จะมีการป้องกันอย่างเพียงพอ การแผ่รังสีนี้อาจรบกวนอะแดปเตอร์จ่ายไฟแบบสวิตช์หรืออุปกรณ์ใกล้เคียง และอาจเกินมาตรฐาน EMI ที่แผ่รังสี

 

การแผ่รังสีอีเอ็มไอจากช่องว่างอากาศจะยิ่งใหญ่ที่สุดเมื่อแกนกลางด้านนอกมีช่องว่างหรือเมื่อมีการกระจายช่องว่างระหว่างขั้วเท่าๆ กัน การรวมช่องว่างอากาศที่เสากลางสามารถลดรังสีได้ 6 dB หรือมากกว่า การลดลงเพิ่มเติมสามารถทำได้ด้วยแกนหม้อที่ปิดสนิทซึ่งจะรวมช่องว่างในขั้วกลาง แม้ว่าแกนหม้อจะไม่ค่อยมีการใช้ในการใช้งานแบบออฟไลน์ เนื่องจากข้อกำหนดระยะห่างตามผิวฉนวนที่แรงดันไฟฟ้าสูงกว่า

 

สำหรับแกนที่มีช่องว่างรอบเสาปริมณฑล ชีลด์ทองแดงที่ล้อมรอบหม้อแปลงไฟฟ้าสามารถลดทอนรังสีได้อย่างมาก แผงป้องกันนี้ควรสร้างเป็นวงปิดรอบๆ หม้อแปลง โดยมีศูนย์กลางอยู่ที่ช่องว่างอากาศ และมีค่าประมาณ 30% ของความกว้างของไส้กระสวยที่พัน เพื่อประสิทธิภาพสูงสุด ความหนาของทองแดงควรมีอย่างน้อย 0.01 นิ้ว

 

แม้ว่าการป้องกันจะมีประสิทธิภาพ แต่ก็ทำให้เกิดการสูญเสียกระแสไหลวน ส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมลดลง สำหรับช่องว่างอากาศบริเวณขอบ การสูญเสียของชีลด์อาจสูงถึง 1% ของกำลังเอาท์พุตที่กำหนดของอุปกรณ์ ในทางตรงกันข้าม ช่องว่างระหว่างขั้วกลางทำให้เกิดการสูญเสียชีลด์เพียงเล็กน้อยแต่ยังคงลดประสิทธิภาพเนื่องจากการสูญเสียขดลวดที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นจึงควรใช้การป้องกันเมื่อจำเป็นเท่านั้น ในหลายกรณี การปิดแหล่งจ่ายไฟหรืออุปกรณ์ไว้ในปลอกโลหะก็เพียงพอที่จะเป็นไปตามมาตรฐาน EMI อย่างไรก็ตาม ในอุปกรณ์เทอร์มินัลการแสดงผลวิดีโอ มักจำเป็นต้องมีการป้องกันหม้อแปลงเพื่อป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้ากับลำอิเล็กตรอน CRT

 

ความร้อนเพิ่มเติมที่เกิดขึ้นในแผงทองแดงสามารถกระจายผ่านแผงระบายความร้อนหรือเปลี่ยนเส้นทางไปยังแชสซีเพื่อรักษาเสถียรภาพในการทำงาน