一个设计良好的 SMPS 似乎有一个连接变压器初级和次级接地层的电容器,例如这里的 C13 电容器。这个电容器的用途是什么?
我已经让自己明白了,它是为了抑制 EMI,但它抑制什么样的 EMI,如何抑制?在我看来,它似乎是开路的唯一分支,因此完全惰性,但显然我错了。
一个设计良好的 SMPS 似乎有一个连接变压器初级和次级接地层的电容器,例如这里的 C13 电容器。这个电容器的用途是什么?
我已经让自己明白了,它是为了抑制 EMI,但它抑制什么样的 EMI,如何抑制?在我看来,它似乎是开路的唯一分支,因此完全惰性,但显然我错了。
开关模式电源使用所谓的“反激式转换器”来提供电压转换和电流隔离。该转换器的核心部件是高频变压器。
实际的变压器在初级和次级绕组之间有一些杂散电容。该电容与转换器的开关操作相互作用。如果输入和输出之间没有其他连接,这将导致输出和输入之间出现高频电压。
从 EMC 的角度来看,这真的很糟糕。电源砖的电缆现在基本上充当天线,传输由开关过程产生的高频。
为了抑制高频共模,需要在电源的输入端和输出端之间放置一个电容,该电容的电容大大高于反激变压器中的电容。这有效地使高频短路并防止其从设备中逸出。
在设计 2 类(未接地)PSU 时,我们别无选择,只能将这些电容器连接到“带电”和/或“中性”输入。由于世界上大多数地方都没有强制接地插座的极性,我们必须假设“带电”和“中性”端子中的一个或两个可能相对于大地电压很大,我们通常会采用对称设计作为“最不坏的选择”。这就是为什么如果您使用高阻抗表测量 2 类 PSU 相对于电源接地的输出,您通常会看到大约一半的电源电压。
这意味着在 2 类 PSU 上,我们在安全性和 EMC 之间进行了艰难的权衡。使电容器更大可以改善 EMC,但也会导致更高的“接触电流”(流经接触 PSU 输出和电源接地的某人或某物的电流)。随着 PSU 变大(因此变压器中的杂散电容变大),这种权衡变得更加成问题。
在 1 类(接地)PSU 上,我们可以使用电源接地作为输入和输出之间的屏障,方法是将输出连接到电源接地(这在台式 PC PSU 中很常见)或使用两个电容器,一个从输出到电源接地和一个从电源接地到输入(这是大多数笔记本电脑电源砖所做的)。这避免了接触电流问题,同时仍然提供了控制 EMC 的高频路径。
这些电容器的短路故障将非常糟糕。在 1 类 PSU 中,电源和电源接地之间的电容器故障将意味着对地短路(相当于“基本”绝缘故障)。这很糟糕,但如果接地系统正常工作,它不应该对用户造成重大直接危害。在 2 类 PSU 中,电容器的故障要严重得多,这意味着对用户的直接和严重的安全危害(相当于故障或“双重”或“加强”绝缘)。为防止对用户造成危害,电容器的设计必须使短路故障的可能性很小。
因此为此使用了特殊的电容器。这些电容器被称为“Y 电容器”(另一方面,X 电容器用于电源火线和电源中性线之间)。“Y 电容器”有两种主要的子类型,“Y1”和“Y2”(Y1 是更高额定值的类型)。一般来说,Y1 电容用于 2 类设备,而 Y2 电容用于 1 类设备。
那么 SMPS 初级和次级之间的电容是否意味着输出没有隔离?我见过可以串联连接以使电压翻倍的实验室电源。如果不隔离,他们如何做到这一点?
一些电源的输出硬连接到地。显然,您不能将具有相同输出端子硬接地的一对电源串联起来。
其他电源仅具有从输出到输入或电源接地的电容耦合。这些可以串联连接,因为电容器会阻挡直流电。
根据我作为电子工程师的经验,我发现很多专业的 II 类电源由于 Y 电容器的存在而对地漏电约为 80v AC。IEE 允许非医疗设备的泄漏电流 <85uA。但是,它可能会导致音频电路出现问题。当笔记本电脑连接到音频放大器或舞台效果器连接到 PA 时,我已经看到了一些接地回路嗡嗡声的实例。由于 SMPS 的泄漏,我个人经历过麦克风带来的轻微但令人不快的震动。我最初的解决方案是移除 Y 电容器并安装接地连接,但我最终使用环形电路构建了自己的线性 PSU。至于“堆叠”
直接回答OP的问题;Y 电容器的使用虽然符合过去的标准工程实践,但在新设计中可能应该避免使用。由于 NEC(美国国家电气规范)对使用 GFCI 和 AFCI 断路器的要求,在过去十年左右出现了使用 Y 电容器的新工程权衡。这些断路器设计用于在总接地电流为 5 mA 的情况下为分支电路上的所有 AC 插座跳闸。显然,对于典型的客厅娱乐中心或计算机工作站,每个 I 类设备允许 3.5 mA 的电流加起来很快。虽然目前的泄漏标准允许这样做,但 OEM 越来越多的消费者抱怨他们的产品“让我的断路器跳闸,我想把它修好”https://www.fluke.com/en-us/learn/blog/grounding/chasing-ghost-trips-in-gfci-protected-circuits。NEC 的要求在过去十年中不断增加,许多州和城市现在才完全纳入它。虽然 II 类设备(AC 插头上没有第三个接地插脚)具有更严格的漏电规格,但它们似乎是大多数设计人员正在寻求的解决方案;这些设备完全无需 Y 电容器即可满足 EMI 规格。