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电子产品&设备开关电源系统Y电容的设计及应用技巧

电子产品设备开关电源使用越来越广泛!基本的FLY变换器原理图如下所示,在需要对输入输出进行电气隔离的低功率75W~的开关电源应用场合,反激变换器(FLY Converter)是最常用的一种拓扑结构。简单、可靠、低成本、易于实现是反激变换器突出的优点;我们电子产品设计中开关电源的小体积和高效率使得应用范围越来越广。

开关电源系统FLY带接地系统的参考运用原理图如下:

A.初级电路(Primary Circuit) :

电路结构:直接与外部输入电网AC源连接;

B.次级电路(Secondary Circuit):

电路结构:位于电子产品设备内与初级侧相隔离的那部分电路;

C.Y-电容(Y-Capacitor):

电路结构:跨接于初级电路与地或初,次级电路之间的高压电容;

开关电源接地、漏电流、耐压测试(安规)

1.接地连续性测试(Ground Continuity Test) :

定义:

从Inlet PG 端上通过电流至使用者可接触的接地端,确保其阻值小于规格值,达到接地保护的功用.

标淮:

A.输入电流不大于25A,(DC or AC)电压不超过12V,时间至少3秒(TUV要求).

B.测试结果: 电阻值不得大于100毫欧.

2.接地泄漏电流测试(Earth Leakage Current Test) :

定义:

通过一个被安规单位(UL,TUV,CSA…)认可的“人体阻抗模拟电路”,测量当待测物(SPS)接通电源时在可触到的金属部件与地之间流经人体的电流量.

标淮:

A.输入电压为额定电压上限的106%.

B.测试结果: Class I≦3.5mA;ClassII≦0.25mA.

3.耐压测试(Dielectric Withstand Voltage Test):

定义:又称高电压介电测试,即 Hi-pot(High Potential)Test,从初级侧对次级侧(或一次(初级)侧对地)之间实施高电压以确定内部绝缘层有隔离危险电压的功用.

标淮:

A.输入电压为下列所示:

B.测试结果: 不可有绝缘击穿现象(Breakdown).

4.耐压测试之漏电流计算方法

A.DC测试之漏电流设定:

DC测试电流非常小(μA),一般初级侧对次级侧之间实施DC高电压,漏电流设定:0μA~100μA.

B.AC测试之漏电流理论计算:

计算公式:

I =2π*f*V*Cy

其中

f— 测试电压频率 ( 50Hz or 60Hz )

V— 测试电压(unit : volt )

Cy—跨接于一次侧(初级)与地或一,二次(初次级)侧之间的Y电容总和.

所以:

Imin=2π*f*V*Cymin

Imax=2π*f*V*Cymax

Cy电容计算 :

Cy=Cy1+Cy2+Cy3+…

若一次侧地与二次侧地之间跨接一颗Y电容(Cy0),则

Y电容公差一般为:+/-20%OR +/-10%

5.实际设定AC 测试漏电流时需考虑下列因素:

A.考虑初始漏电流 :

初始漏电流即在无待测物状态下,所测得的漏电流.

B.考虑Y电容公差 :

电子设计师在选择同一颗容量大小的Y电容时,其公差可能不一样(有的是+/-10%;有的是+/-20%),因此我们应该按+/-20% 公差去设定.否则须依+/-10%公差去设定.

C.考虑实际线路中存在的分散电容,因此要根据实际的产品设备的漏电流限定要求进行设计:设计理论我用计算表格推荐给电子设计师参考!

Y电容设计理论结果如下:

6.开关电源系统初次级“Y电容”到底放哪个位置更好?

(讨论后;有较好参考价值!路径优化设计法!!)

开关电源系统改善EMI的方法:一般改善EMI有两个常见方法;

A.降低干扰源的能量;

B.改变干扰能量的传递路径;

通过添加Y电容的方式来改变EMI的传播路径如下图。

Y电容改变EMI传播路径的常见方式有4中,如上图

位置1:输入电容高压→输出正;

位置2:输入电容高压→输出地;

位置3:输入电容地→输出地;

位置4:输入电容地→输出正。

由于输出的电解电容在高频的情况下内阻极低可视为两端短路。

如果只对于EMI来讲,位置1、2的效果相同,位置3、4的效果相同。

位置1、2加了Y电容后的作用:干扰源原本是从副边D1右边→散热→..经过一系列路径..→Ctx回到D1左边的,现在由于D1右边对Ctx的左边提供了一个阻抗很低的回路,所以大部分干扰路径变成,D1右→Cy1→Ctx→D1左,让大部分的EMI干扰不经过散热器和大地直接回到Ctx回到D1。

位置1、2的Y电容有效的改变了由D1产生的干扰的流动路径。

位置3、4加Y电容后的作用:位置3、4的作用是双重的,作用1,原本Q1的干扰源其中有一条传播路径为,Q1的D极→TX1→Ctx→D1→Cd→..经过一系列路径..→Q1的S极,此时由于在D1右到Q1的S极提供了一条低阻抗回路,此条路径的干扰到D1后大部分直接回到S极;作用2,D1的原边干扰回路是副边D1右边→散热→..经过一系列路径..→Ctx回到D1左边的,此时由于D1右边到原边电解地提供了更低阻抗的回路,大部分干扰直接从D1到原边电解地→原边电解正→Ctx→回到D1左边。

位置3、4的Y电容改变了Q1干扰源的部分路径,同时改变了D1干扰源的路径。

四个位置对EMI的作用都是不错的,但在实际layout的时候放在位置3是最方便的;当然改善EMI还有在散热器上下手(分析散热器的分布电容理论)的如下图

C.散热器直接接地

D.散热器与地之间接Y电容

这样通过MOS管散热器的EMI直接回到了C1的地端,这样的方式效果也是非常明显的,分析方法与上面相同。

7.对于电子产品设备如果使用集成MOS的PI公司的小功率电源方案推荐Y电容方案如下:

由于PI-变压器结构常常使用内部屏蔽绕组进行变压器传导的法拉第屏蔽设计;对于Y电容会连接到大电解电容的正端(如图中的红色箭头所示)。

此时的EMI测试结果比接初级地与次级地之间要好很多。

对于分离PWM-IC控制+开关MOS的结构往往功率相对来说要大一些;在Layout走线及器件布局来说选择位置3,是比较好的选择!CY电容原边接在原边的静地和副边的静地上,也就是C1和C2的负极点如下图

当然也要考虑实际布局布线的情况,有时候这种连线不好走线,这时候要根据电路板的具体情况进行设计,可以把地线要加粗一些;减少线路上的寄生电感!此种应用对其它的电源供电系统拓扑同样适用!!

8.PFC系统的Y电容设计技巧

图中:我重点分析共模骚扰;共模骚扰的产生主要原因是电源与大地(保护地)之间存在分布电容,电路中方波电压的高频谐波分量通过分布电容传入大地,与电源线构成回路,产生共模骚扰。

进行原理图的重要分布参数的等效分析:

从图来看,VT2的D极与散热器之间耦合电容的作用最大,从BD1到电感L3之间的电压为100Hz,而从L3到VD1和VT2的D极之间的连线的电压均为方波电压,含有大量的高次谐波。其次L3的影响也比较大,但L3与机壳的距离比较远,分布电容比开关管和散热器之间的耦合电容小得多,

因此,我们主要考虑开关管与散热器之间的耦合电容=C7。

解决PFC的EMI的传导辐射骚扰的问题方法如下:

增加一个Y电容C8,接在开关管散热器与输出地之间,该电容与散热器的连接处离开关管越近越好,该电容选用安规电容,容量在470PF到0.01μF之间,太大会使电源的漏电流超标,经过电容C7耦合到散热器上的骚扰信号经过C8衰减

更简单一点的理解:就是通过图示的Y电容C8优化了共模电流的路径!

实践测试数据是:通过增加这个Y电容后,测试效果很明显;

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杜佐兵

电磁兼容(EMC)线上线下高级讲师

杜佐兵老师在电子行业从业近20年,是国家电工委员会高级注册EMC工程师,武汉大学光电工程学院、光电子半导体激光技术专家。目前专注于电子产品的电磁兼容设计、开关电源及LED背光驱动设计。

2019年在电源网的研讨会和大家分享;

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