安規(guī)電容對電子產(chǎn)品安全性和電磁兼容性的影響

文/王世栩 王沈敏

安規(guī)電容對電子產(chǎn)品安全性和電磁兼容性的影響

文/王世栩 王沈敏

隨著電子產(chǎn)品中開關(guān)電源的廣泛使用，開關(guān)電源中安規(guī)電容——X電容和Y電容的選用因其涉及到電子產(chǎn)品的安全性和電磁兼容性而受到越來越多的關(guān)注。本文僅就以上兩類電容器的選用及其對電子產(chǎn)品安全和電磁兼容性能的影響進(jìn)行了初步探析。

電子產(chǎn)品 安規(guī)電容 安全性 電磁兼容性

隨著開關(guān)電源在電子產(chǎn)品（本文主要針對音視頻、信息類產(chǎn)品）中廣泛應(yīng)用，使用和接觸帶有開關(guān)電源電子產(chǎn)品的人群日趨龐大。因為應(yīng)用范圍廣泛，使用人員的文化層次和技術(shù)素質(zhì)又參差不齊，致使電子產(chǎn)品的安全性和電磁兼容性顯得尤為重要。目前，世界各國、不同使用領(lǐng)域的電子產(chǎn)品都有各自相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)和電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。在我國，電子產(chǎn)品涉及的安全標(biāo)準(zhǔn)主要有：GB 4943－2011《信息技術(shù)設(shè)備安全第1部分：通用要求》和GB 8898－2011《音頻、視頻及類似電子設(shè)備安全要求》；涉及的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)主要包括：GB13837－2012《聲音和電視廣播接收機(jī)及有關(guān)設(shè)備無線電騷擾特性限值和測量方法》、GB 9254－2008《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法》和GB 17625.1－2012《電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值（設(shè)備每相輸入電流16A）》。電子產(chǎn)品必須通過包含以上安全性能、電磁兼容性能兩大標(biāo)準(zhǔn)的CCC強(qiáng)制性認(rèn)證才能正式生產(chǎn)銷售。其中，電子產(chǎn)品的主要構(gòu)成部分——開關(guān)電源的安全性和電磁兼容性因涉及面廣，已受到越來越多的關(guān)注。

開關(guān)電源中使用的電容器按應(yīng)用功能分有很多種類，比如耦合電容、濾波電容、振蕩電容、軟啟動電容、頻率補(bǔ)償電容、安規(guī)電容等。其中，安規(guī)電容是開關(guān)電源的主要元器件，它的安裝和選用對開關(guān)電源以及電子產(chǎn)品的安全性和電磁兼容性起到很重要的作用。

一、電子產(chǎn)品安全性和電磁兼容性的重要性

安全性是指電子產(chǎn)品在使用過程中應(yīng)避免由電擊、過高溫度、輻射、爆炸、機(jī)械危險和著火等各種危險所造成的人身傷害或財產(chǎn)損失。

電磁兼容性（EMC）是指電子產(chǎn)品在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾能力。因此，EMC包括兩方面的要求：一方面是指電子產(chǎn)品在正常運(yùn)行過程中自身產(chǎn)生的電磁騷擾不能對其他電子產(chǎn)品產(chǎn)生過大的影響，不能超過一定的限值，即電磁騷擾（EMI）；另一方面是指電子產(chǎn)品本身對所在環(huán)境中存在的電磁騷擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性（EMS）。

電子產(chǎn)品在使用中如果安全性出現(xiàn)問題將會對人身造成傷害，引起財產(chǎn)損失和對周圍環(huán)境的損害。電磁兼容性則涉及到電子產(chǎn)品在使用中對其他電子產(chǎn)品產(chǎn)生電磁干擾或輻射，同時其本身也受到其他電子產(chǎn)品的電磁干擾。這些不僅影響到該電子產(chǎn)品的可靠性和安全性，也影響到其他電子產(chǎn)品的正常工作和穩(wěn)定性，可能導(dǎo)致產(chǎn)品功能失效，甚至引起安全危險。

二、安規(guī)電容是影響開關(guān)電源安全性和電磁兼容性的主要因素

現(xiàn)代許多電子產(chǎn)品的供電電路主要構(gòu)成部分是開關(guān)電源，而開關(guān)電源的關(guān)鍵元器件之一就是安規(guī)電容。

根據(jù)IEC 60384－14－2005《電子設(shè)備用的固定電容器第14－2部分：空白詳細(xì)規(guī)范抑制電磁干擾和連接電源用電容器僅安全試驗》，可將安規(guī)電容分為X電容及Y電容兩類。X電容是指跨接在輸入線兩端之間的電容器，它適用于當(dāng)該電容失效時不會導(dǎo)致電擊、不危及人身安全場合；Y電容是指跨接于火線和地線（L－G）之間以及在零線和地線（N－G）之間的電容器，它適用于電容失效時會導(dǎo)致電擊、危及人身安全的場合。

在開關(guān)電源中使用的X電容分為X1電容和X2電容，它們的主要差別為：X1電容耐高壓大于2.5 kV，小于等于4 kV；X2電容耐高壓小于等于2.5 kV。

開關(guān)電源中的Y電容可分為Y1電容、Y2電容和Y4電容，主要差別如下：Y1電容耐高壓大于8 kV；Y2電容耐高壓大于5 kV、小于8 kV；Y4電容耐高壓大于2.5 kV、小于5 kV。

表1為GB/T 14472－1998《電子設(shè)備用固定電容器第14部分：分規(guī)范抑制電源電磁干擾用固定電容器》中電容器額定值，表2為電容器應(yīng)用參考示例。

表1中電容器的應(yīng)用規(guī)則：

·用來橋接基本絕緣、附加絕緣或加強(qiáng)絕緣的電容器應(yīng)當(dāng)是Y類電容器，但也允許用一個X類電容器橋接二次電路中的基本絕緣。

表1 電容器額定值

表2 電容器應(yīng)用的參考示例

·電容器的電壓額定值應(yīng)當(dāng)至少等于跨在被橋接絕緣上的有效值工作電壓。

·對橋接功能絕緣、基本絕緣或附加絕緣的單個電容器，其峰值試驗電壓應(yīng)當(dāng)至少等于要求的耐壓。

·對橋接雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣的單個電容器，其峰值試驗電壓應(yīng)當(dāng)至少等于要求耐壓的2倍。

·允許使用如下比規(guī)定等級更高的電容器：

——如果規(guī)定使用Y2類，則允許使用Y1類；

——如果規(guī)定使用Y4類，則允許使用Y1類或Y2類；

——如果規(guī)定使用X1類，則允許使用Y1類或Y2類；

——如果規(guī)定使用X2類，則允許使用X1類，Y1類或Y2類。

·允許使用如下兩個或更多電容器串聯(lián)代替規(guī)定的單個電容器：

——如果規(guī)定使用Y1類，則允許使用Y1類或Y2類；

——如果規(guī)定使用Y2類，則允許使用Y2類或Y4類；

——如果規(guī)定使用X1類，則允許使用X1類或X2類。

·如果使用兩個或更多的電容器串聯(lián)，應(yīng)當(dāng)符合：

——所有電容器具有相同的標(biāo)稱電容量值；

——每一個電容器的額定值都是其跨接的整體絕緣有效值工作電壓；

——符合上述其他規(guī)則。

電子產(chǎn)品的開關(guān)電源在設(shè)計過程中，出于安全性能和電磁兼容性能的考慮，一般在開關(guān)電源的電源接入端增加抑制EMI傳導(dǎo)干擾的X電容和Y電容。

根據(jù)實(shí)際需要，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(lián)一個安全電阻，用于防止電源線插拔時，由于該電容的充放電過程而導(dǎo)致電源插頭長時間帶電，從而產(chǎn)生電擊危險。GB 8898－2011規(guī)定，當(dāng)正在工作中的電子產(chǎn)品電源線被拔掉時，在2 s內(nèi)，電源插頭兩端的開路電壓必須小于交流35 V（峰值）或直流60 V危險電壓，相對應(yīng)的安全測試項目是放電量以及斷電2 s后電源插頭兩端放電電壓的檢測。

在電子產(chǎn)品的安全性測試項目中，還有一項接觸電流的測試項目，是對電子產(chǎn)品是否存在觸電危險的重要判據(jù)之一。Y電容與接觸電流的大小有著休戚相關(guān)的聯(lián)系。接觸電流是指人或動物在接觸電子產(chǎn)品時流過身體的電流。當(dāng)電子產(chǎn)品通電后，該電子產(chǎn)品開關(guān)電源中Y電容會將電子組件所產(chǎn)生的電磁輻射通過地線導(dǎo)到地下，減少了對人體的傷害以及對電源的污染（干擾電源線路上其他電氣設(shè)備）。當(dāng)接地線未接好或未接時，由于Y電容和萬用表阻抗較高，阻抗值相當(dāng)，因此在220V～輸入電壓時，用萬用表測量外殼與地之間的電壓一般會顯示在100～220 V之間（隨空氣濕度、Y電容容值的不同會有所不同）。人體接觸電子產(chǎn)品的外殼就可能會有觸電的感覺。當(dāng)正常接地時，因為電容是“通電流”，產(chǎn)生的接觸電流流入保護(hù)地，因此人手觸摸沒有異常。

三、安規(guī)電容的合理設(shè)計和選用

在電子產(chǎn)品抑制電磁干擾的設(shè)計過程中，出于電磁兼容性能的考慮，通常將電容器作為關(guān)鍵的濾波器件。為了抑制共模干擾和差模干擾，采用在被濾波導(dǎo)線與共模電壓參考地之間連接旁路電容的方法進(jìn)行共模濾波；采用在信號線和信號地線之間連接旁路電容的方法進(jìn)行差模濾波。在抑制電磁干擾時，電容器的作用是將干擾旁路掉，選用的電容器對干擾信號具有很低的阻抗。從理想電容的公式分析，當(dāng)電容容值一定時，信號頻率越高，回路阻抗越低，說明電容易于濾除高頻的干擾成分。但是在實(shí)際使用中，如果選用的電容容值越大，則諧振頻率越低，這意味著電容對高頻干擾的濾波效果越差。所以通常在開關(guān)電源的電源接入端放置1～10 μF的電容來濾除低頻干擾信號；在開關(guān)電源的電源與地線之間放置0.01～0.1μF的電容來濾除高頻干擾信號。

X電容一般標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和耐壓AC250 V或AC275 V字樣，其真正的直流耐壓高達(dá)2 000 V以上，通常X電容多選用耐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(nèi)阻相應(yīng)較小。X電容容值的大小直接關(guān)系到電子產(chǎn)品安全性能中的放電量和斷電2 s后電源插頭兩端放電電壓的大??；同時，對電子產(chǎn)品EMC性能中的抑制EMI傳導(dǎo)干擾也有很大影響。

根據(jù)電容“隔直通交”的特性，當(dāng)交流電通過電容時，就會通過電容產(chǎn)生一個電流。根據(jù)電路的歐姆定律，電流與電路中的電壓（）和電路等效阻抗（）關(guān)系見公式（1）：

根據(jù)公式（1）和公式（2）可以推導(dǎo)出流過電容的電流（I）的計算公式見公式（3）：

正常情況下，對于金屬外殼的電子產(chǎn)品,由于接地導(dǎo)體的阻抗要遠(yuǎn)小于人體的阻抗,在設(shè)備中由Y電容形成的電流會通過接地導(dǎo)體直接流入大地。但根據(jù)接觸電流的定義,不僅在正常工作時接觸電流要滿足要求,在故障情況下也要滿足要求。因此，如果當(dāng)接地導(dǎo)體斷開后，人體再接觸電子產(chǎn)品的金屬外殼時，接觸電流就會完全通過人體流入大地。如果接觸電流偏大,就會對人體造成傷害。根據(jù)公式(3)可以看出,如果選用的Y電容容值偏大就會直接導(dǎo)致接觸電流偏大，二者之間是正比例關(guān)系。

故Y電容的總電容值必須受到限制，從而達(dá)到控制在某額定頻率及額定電壓作用下，減小流過它的接觸電流的大小和降低對電子產(chǎn)品EMC性能影響的目的。在電磁兼容性的實(shí)際測試的結(jié)果反饋中可知，為了有效濾除產(chǎn)品通過傳導(dǎo)的方式影響電網(wǎng)的噪聲騷擾，Y電容容值一般被控制在不大于0.1 μF的范圍以內(nèi)，如果為了更好地抑制產(chǎn)品的傳導(dǎo)騷擾，選用的Y電容總?cè)葜狄话愣疾怀^4 700 pF。

從另一方面來說Y電容容值選擇越大，則安全性能涉及的接觸電流越大，但電磁兼容性能涉及的抗干擾度越好。所以，Y電容容值選擇必須兼顧這兩方面的需求，再根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境中的產(chǎn)品功能需要選取一個臨界值，使安全性能和電磁性能都能得到滿足。

As widespread use of switching power supplies in the electronic products,the selection of X capacitors and Y capacitors,which belong to safety capacitors of switching power supplies,become increasingly received increasing attention due to their relevance to safety performance and EMC performance of electronic products.The article discusses the methods of selecting X and Y capacitors,and its influence on safety performance and EMC performance of electronic products.

Electronic products;Safety capacitor;Safety performance;EMC performance

（作者單位：上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院）