【導讀】在開關電源的設計中，電磁兼容性（EMC）是衡量產品質量的重要指標。據統(tǒng)計，超過50%的產品在首次EMC測試中無法通過，這在很大程度上源于對安全電容設計的忽視。
在開關電源的設計中，電磁兼容性（EMC）是衡量產品質量的重要指標。據統(tǒng)計，超過50%的產品在首次EMC測試中無法通過，這在很大程度上源于對安全電容設計的忽視。
作為電磁兼容設計中的關鍵元件，X電容和Y電容雖然在外觀上相似，卻在電路中都扮演著不可替代的角色。它們的正確使用，直接關系到電源系統(tǒng)能否滿足嚴格的電磁兼容標準。
01 隔離電源與電磁兼容性的重要性
隔離電源的設計本質是在輸入與輸出電路之間建立電氣隔離屏障，通過變壓器、光耦或電容等元件實現能量和信號的傳輸。
這種隔離不僅能防止高壓浪涌損壞敏感電路，還能消除不同接地電位引起的干擾問題。
在電磁兼容性方面，隔離電源面臨雙重挑戰(zhàn)：一方面需要抑制內部的電磁干擾，防止其對電網或其他設備造成影響；另一方面要抵御外部的干擾，保證自身在復雜電磁環(huán)境中的穩(wěn)定運行。
根據IEC標準，隔離可分為功能型、基本型、補充型和增強型四個級別，不同級別對應不同的安全要求和應用場景。
一項專業(yè)研究顯示，優(yōu)良的隔離設計能將系統(tǒng)共模噪聲抑制比提高40-60dB，顯著提升系統(tǒng)在惡劣電磁環(huán)境下的穩(wěn)定性。
02 電磁兼容性設計的核心原則
電磁兼容設計主要從三個層面入手：減小干擾源的電磁干擾能量、切斷干擾傳播途徑以及提高受擾設備的抗干擾能力。
開關電源由于內部的快速開關動作（IGBT或MOSFET），會產生較高的di/dt和dv/dt，從而形成強烈的電磁干擾。
設計中的常見策略包括：使用瞬態(tài)電壓抑制二極管和壓敏電阻來吸收瞬變浪涌，采用直流EMI濾波器并確保良好接地，以及構建低通濾波電路以減小輸入線上的紋波電壓。
在開關管開通和關斷時，由于開關時間很短以及引線電感、變壓器漏感的存在，回路會產生較高的di/dt、dv/dt，從而形成電磁干擾。
為減少△V，就必須減小回路引線電感值，為此，在設計時常使用一種叫 “多層低感復合母排” 的裝置，該種母排裝置能將回路電感降低到足夠小，達lOnH級，從而達到減小高頻逆變回路電磁干擾的目的。
03 X電容與Y電容的基礎知識
什么是X電容？
X電容，全稱為“線對線電容”，跨接在火線（L）與零線（N）之間，用于消除來自電力線的差模干擾。
它被稱為“X”電容是因為其連接位置形如字母“X”。X電容的容值通常比Y電容大，能夠吸收火線與零線之間的高頻噪聲。
什么是Y電容？
Y電容，全稱為“線對地電容”，跨接于火線（L）與地線（G）或零線（N）與地線（G）之間，主要抑制共模干擾。
它之所以被稱為“Y”電容，是因為其連接方式形似字母“Y”。Y電容的總容量一般都不能超過4700pF，以防止對地漏電流過大。
關鍵差異與特點
X電容和Y電容雖然都是安規(guī)電容，但在功能、連接位置和安全要求上存在明顯差異。
安規(guī)電容的放電和普通電容不一樣，普通電容在外部電源斷開后電荷會保留很長時間，如果用手觸摸就會被電到，而安規(guī)電容則沒這個問題。
作為安全電容之一的X電容，也要求必須取得安全檢測機構的認證。X電容一般都標有安全認證標志和耐壓AC250V或AC275V字樣，但其真正的直流耐壓高達2000V以上。
Y電容除符合相應的電網電壓耐壓外，還要求這種電容器在電氣和機械性能方面有足夠的安全余量，避免在極端惡劣環(huán)境條件下出現擊穿短路現象。
04 安規(guī)電容的分類與技術標準
X電容的分類
根據IEC 60384-14標準，X電容按耐壓水平分為三類：
X1電容：峰值脈沖電壓在2.5kV至4.0kV之間
X2電容：峰值脈沖電壓小于或等于2.5kV
X3電容：峰值脈沖電壓小于或等于1.2kV
Y電容的分類
Y1電容：額定電壓小于或等于500VAC
Y2電容：額定電壓小于或等于150VAC至300VAC
Y3電容：額定電壓小于或等于150VAC至250VAC
Y4電容：額定電壓小于150VAC
國際安全標準
安規(guī)電容必須符合國際安全標準，包括歐洲的EN 60384-14、美國的UL 60384-14、加拿大的CAN/CSA-E60384-14和中國的CQC（GB/T 6346.14-2015或IEC 60384-14） 等。
在認證過程中，執(zhí)行的兩項關鍵測試是脈沖和耐久性測試。電容器必須能夠承受十次交替極性的脈沖，然后進行1000小時的耐久交流壽命測試。
05 X電容與Y電容在電路中的應用設計
典型電路配置
在交流電源輸入端，通常需要增加3個安全電容來抑制EMI傳導干擾。完整的EMI濾波電路由X電容、Y電容和共模扼流圈組成。
注重品質的電源往往會加入兩級EMI濾波電路設計。一般而言，一級EMI濾波電路位于電源插座處，另一級位于電源的PCB板上。
X電容的設計要點
X電容由于連接的位置關鍵，需要符合相關安全標準。X電容的容值允許比Y電容的容值大，但此時必須在X電容的兩端并聯一個安全電阻。
這一電阻用于防止電源線拔插時，由于該電容的充放電過程而致電源線插頭長時間帶電。安全標準規(guī)定，當正在工作之中的機器電源線被拔掉時，在兩秒鐘內，電源線插頭兩端帶電的電壓必須小于原來額定工作電壓的30%。
通常，X電容多選用紋波電流比較大的聚脂薄膜類電容。這種類型的電容體積較大，但其允許瞬間充放電的電流也很大，而其內阻相應較小。
Y電容的設計要點
由于Y電容連接的位置比較關鍵，必須符合相關安全標準，以防引起電子設備漏電或機殼帶電，容易危及人身安全及生命。
一般情況下，工作在亞熱帶的機器，要求對地漏電電流不能超過0.7mA；工作在溫帶機器，要求對地漏電電流不能超過0.35mA。因此，Y電容的總容量一般都不能超過4700pF（472）。
Y電容不得隨意使用標稱耐壓AC250V或者DC400V之類的普通電容來代用。它們的直流耐壓實際高達5000V以上。
06 隔離電源EMC設計實用技巧
浪涌防護設計
電源模塊在實際應用中，工程師們經常使用浪涌防護電路來確保EMC性能，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。浪涌電壓的來源有多種，比如：雷擊、短路故障、設備頻繁開機等。
為提高輸入級的浪涌防護能力，在外圍增加了壓敏電阻和TVS管。正確的接法一般是在兩個MOV或是MOV和TVS之間接一個電感或電阻，將防護器件分隔成兩級。
在MOV和TVS之間加一個電阻，可以防止TVS先導通到損壞。在選取電阻的時候要考慮電阻的功耗，以免電阻先損壞；同時可以并聯電容，吸收能量，提高抗浪涌能力。
PCB布局與接地技術
PCB設計在模塊電源產品開發(fā)過程中是作為最重要的環(huán)節(jié)之一來對待，它要考慮散熱設計、EMC設計、干擾設計和生產工藝設計等等。
在設計中，為減小引線電感，最好使用 “多層低感復合母排” 裝置，能將回路電感降低到足夠小，達到10nH級，從而減小高頻逆變回路電磁干擾。
控制功率和數據信號通過隔離柵時，會產生電磁干擾（EMI）。這些輻射發(fā)射（RE）會對其他電子系統(tǒng)和網絡的性能產生負面影響。
創(chuàng)新抑制技術
傳統(tǒng)的EMI抑制方法包括使用分立式電容或嵌入式旁路電容，但這些方法會增加成本和設計復雜性。
一種創(chuàng)新的方法是采用集成隔離電源組件，如ADI公司的ADuM5020/ADuM5028，這些組件包含降低芯片輻射發(fā)射的措施，無需在外部額外增加復雜的措施，即可確保通過系統(tǒng)級輻射發(fā)射測試。
ADuM5020采用16引腳寬體SOIC封裝，提供3V和5V兩種電源選項，以及3kV rms額定隔離，能夠跨隔離柵提供500mW功率。
為了減少輻射發(fā)射，ADuM5020/ADuM5028具有出色的線圈對稱性和線圈驅動電路，有助于將通過隔離柵的CM電流傳輸最小化。
擴頻技術也被用來降低某一特定頻率的噪聲濃度，并將輻射發(fā)射能量擴散到更廣泛的頻段。在次級端使用低價的鐵氧體磁珠會進一步減少輻射發(fā)射。
07 電磁兼容性測試與標準符合性
主要EMC測試項目
電磁兼容測試包括發(fā)射測試和抗擾度測試兩大類別。發(fā)射測試中包含傳導和輻射；而抗擾度測試中又包含靜電、脈沖群、浪涌等。
為提升用戶系統(tǒng)穩(wěn)定性，ZLG致遠電子自主研發(fā)、生產的隔離電源模塊，全系列隔離DC-DC電源通過完整的EMC測試，靜電抗擾度高達4KV、浪涌抗擾度高達2KV。
國際標準要求
產品上市前，必須符合EMC規(guī)定。在工業(yè)、醫(yī)療、通信和消費環(huán)境中，輻射發(fā)射通常必須符合CISPR 11/EN55011、CISPR22/EN 55022或FCC Part15標準。
各個標準下，設備被進一步分類：A類用在工業(yè)應用和非住宅區(qū)的設備；B類用在住宅環(huán)境中的設備。
由于B類限制覆蓋的是住宅環(huán)境，這種環(huán)境中的產品更有可能彼此非常接近，因此更加嚴格（比A類低10dB之多），以免引起干擾問題。
設計驗證與優(yōu)化
對于帶隔離的電路設計，一個重要的步驟是跨隔離柵傳輸功率，并緩解產生的輻射發(fā)射。
據報道，50%的產品首次EMC測試都以失敗告終。這可能是因為缺乏相關知識，且未能在產品設計階段的早期應用EMC設計技術。
如果在功能設計完成之前一直忽略EMC問題，通常會帶來耗費時間且代價高昂的挑戰(zhàn)。想要最大限度地縮短設計時間和降低項目成本，在項目開始時就進行EMC設計是至關重要的。
在現代電子設備中，優(yōu)化X電容和Y電容的設計不再是一個可選項目，而是滿足電磁兼容標準的必要條件。有研究表明，良好的安規(guī)電容設計可以將電源產品的電磁干擾降低20-30dB，大幅提高產品通過EMC認證的成功率。
對工程師而言，掌握X電容和Y電容的正確應用，就如同為產品獲得了通往市場的通行證。隨著電子產品密度不斷增加和電磁環(huán)境日益復雜，這些看似簡單的元件將在未來電子設備設計中扮演更加關鍵的角色。
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