スイッチング電源アダプタの静電シールド

スイッチング電源アダプタの設計において最も困難な仕様の 1 つは、コモンモード伝導 RFI (無線周波数干渉) 電流を許容レベルまで低減することです。この伝導ノイズは主に、寄生静電気と、電源スイッチング コンポーネントとグランド プレーンの間の電磁結合によって発生します。グランドプレーンは、電子機器の種類に応じて、シャーシ、キャビネット、またはアース線で構成されます。

 

スイッチング電源アダプタの設計者は、レイアウト全体を徹底的にレビューし、そのような問題が発生しやすい領域を特定し、設計段階で適切なシールド対策を講じる必要があります。不適切な RFI 設計を後の段階で修正することは、多くの場合困難です。

 

ほとんどのアプリケーションでは、高周波、高電圧のスイッチング波形がグランド プレーンまたは二次出力と容量結合する可能性がある場合には、静電シールドが必要です。これは、スイッチングパワートランジスタと整流ダイオードがメインシャーシに接触するヒートシンクに取り付けられている場合に特に重要です。さらに、磁界と容量結合により、大きなスイッチング パルス電流が流れるコンポーネントやラインにノイズが発生する可能性があります。潜在的な問題領域には、出力整流器、シャーシに取り付けられた出力コンデンサ、メイン スイッチング トランスの一次、二次、コアと他の駆動トランスや制御トランスの間の容量結合が含まれます。

 

シャーシに熱的に接続されたヒートシンクにコンポーネントが取り付けられている場合、干渉するコンポーネントとヒートシンクの間に静電シールドを配置することで、不要な容量結合を軽減できます。このシールドは通常銅でできており、ヒートシンクとコンポーネント (トランジスタやダイオードなど) の両方から絶縁する必要があります。これは、容量結合された AC 電流をブロックし、入力回路内の便利な基準点に送られます。一次コンポーネントの場合、この基準点は通常、スイッチング デバイスの近くの DC 電源ラインの共通の負の端子です。二次コンポーネントの場合、基準点は通常、電流が変圧器の二次側に戻る共通端子です。

 

プライマリ スイッチング パワー トランジスタは、高電圧、高周波数のスイッチング パルス波形を生成します。トランジスタのケースとシャーシの間に適切なシールドがないと、それらの間の静電容量を介して大きなノイズ電流が結合する可能性があります。回路内に配置された銅シールドは、静電容量を介して実質的な電流をヒートシンクに注入します。ヒートシンクは、シャーシまたはグランドプレーンに関する比較的小さな高周波 AC 電圧を維持します。設計者は同様の問題領域を特定し、必要に応じてシールドを適用する必要があります。

 

一次巻線と二次巻線の間、または一次巻線と接地された安全シールドの間に RF 電流が流れるのを防ぐために、主スイッチングトランスには通常、少なくとも一次巻線に静電 RFI シールドが組み込まれています。場合によっては、一次巻線と二次巻線の間に追加の安全シールドが必要になる場合があります。静電 RFI シールドは、その構造、位置、接続の点で安全シールドとは異なります。安全規格では、安全シールドをグランド プレーンまたはシャーシに接続する必要がありますが、RFI シールドは通常、入力または出力回路に接続されます。 EMI シールドと端子台は薄い銅板でできており、小さな電流しか流しません。ただし、安全上の理由から、安全シールドは電源ヒューズの定格電流の少なくとも 3 倍に耐える必要があります。

 

オフライン スイッチング電源変圧器では、RFI シールドは一次巻線と二次巻線の近くに配置され、安全シールドは RFI シールドの間に配置されます。二次 RFI シールドが必要ない場合、安全シールドは一次 RFI シールドと出力巻線の間に配置されます。適切な絶縁を確保するために、一次 RFI シールドは、通常定格が 0.01 μF の直列コンデンサを介して入力電源ラインから DC 絶縁されることがよくあります。

 

二次 RFI シールドは、最大限のノイズ抑制が必要な場合、または出力電圧が高い場合にのみ使用されます。このシールドは出力ラインの共通端子に接続されます。トランスのシールドはコンポーネントの高さと巻線の寸法を増加させ、漏れインダクタンスの増加と性能の低下につながるため、慎重に適用する必要があります。

 

 

高周波シールド ループ電流は、スイッチング過渡現象中に大きくなる可能性があります。変圧器の通常動作による二次側への結合を防ぐために、シールド接続点は端ではなく中心にある必要があります。この配置により、容量結合されたシールド ループ電流がシールドの各半分で逆方向に流れるようになり、誘導結合の影響が排除されます。さらに、閉ループの形成を避けるために、シールドの端を相互に絶縁する必要があります。

 

高電圧出力の場合、RFI シールドを出力整流ダイオードとそのヒートシンクの間に取り付けることができます。 12V 以下などの低い二次電圧の場合、二次変圧器の RFI シールドと整流器シールドは一般に不要です。このような場合、回路に出力フィルタ チョークを配置すると、ダイオード ヒート シンクを RF 電圧から分離できるため、シールドが不要になります。ダイオードおよびトランジスタのヒートシンクがシャーシから完全に分離されている場合 (たとえば、PCB に取り付けられている場合)、多くの場合、静電シールドは不要です。

 

フェライト フライバック トランスや高周波インダクタは、インダクタンスを制御したり飽和を防止したりするために、磁路内に大きなエア ギャップを備えていることがよくあります。これらのエアギャップは、適切にシールドされていない場合、かなりのエネルギーを蓄積し、電磁場 (EMI) を放射する可能性があります。この放射は、スイッチング電源アダプタまたは近くの機器に干渉し、放射 EMI 基準を超える可能性があります。

 

エアギャップからの EMI 放射は、外側コアにギャップがある場合、またはギャップが極間に均等に分布している場合に最大になります。エアギャップを中央の極に集中させると、放射を 6 dB 以上低減できます。ギャップを中間極に集中させる完全に密閉されたポットコアを使用すると、さらなる削減が可能ですが、高電圧での沿面距離の要件により、ポットコアがオフラインアプリケーションで使用されることはほとんどありません。

 

周囲の極の周りにギャップがあるコアの場合、変圧器を囲む銅シールドによって放射が大幅に減衰する可能性があります。このシールドは、エアギャップを中心として変圧器の周囲に閉ループを形成し、巻線ボビンの幅の約 30% にする必要があります。効率を最大化するには、銅の厚さは少なくとも 0.01 インチである必要があります。

 

シールドは効果的ですが、渦電流損失が発生し、全体の効率が低下します。周辺エアギャップの場合、シールド損失はデバイスの定格出力電力の 1% に達する可能性があります。対照的に、中間の極ギャップはシールド損失を最小限に抑えますが、それでも巻線損失が増加するため効率は低下します。したがって、シールドは必要な場合にのみ使用してください。多くの場合、電源またはデバイスを金属ケースに収めることで、EMI 規格を満たすのに十分です。ただし、ビデオ表示端末装置では、CRT 電子ビームとの電磁干渉を防ぐために、変圧器のシールドが必要になることがよくあります。

 

銅シールドで発生した追加の熱は、ヒートシンクを介して放散するか、シャーシにリダイレクトして動作の安定性を維持できます。