安規電容對電子產品安全性和電磁兼容性的影響

文/王世栩 王沈敏

安規電容對電子產品安全性和電磁兼容性的影響

文/王世栩 王沈敏

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

電子產品 安規電容 安全性 電磁兼容性

隨著開關電源在電子產品（本文主要針對音視頻、信息類產品）中廣泛應用，使用和接觸帶有開關電源電子產品的人群日趨龐大。因為應用范圍廣泛，使用人員的文化層次和技術素質又參差不齊，致使電子產品的安全性和電磁兼容性顯得尤為重要。目前，世界各國、不同使用領域的電子產品都有各自相應的安全標準和電磁兼容標準。在我國，電子產品涉及的安全標準主要有：GB 4943－2011《信息技術設備安全第1部分：通用要求》和GB 8898－2011《音頻、視頻及類似電子設備安全要求》；涉及的電磁兼容標準主要包括：GB13837－2012《聲音和電視廣播接收機及有關設備無線電騷擾特性限值和測量方法》、GB 9254－2008《信息技術設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射限值（設備每相輸入電流16A）》。電子產品必須通過包含以上安全性能、電磁兼容性能兩大標準的CCC強制性認證才能正式生產銷售。其中，電子產品的主要構成部分——開關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注。

開關電源中使用的電容器按應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、頻率補償電容、安規電容等。其中，安規電容是開關電源的主要元器件，它的安裝和選用對開關電源以及電子產品的安全性和電磁兼容性起到很重要的作用。

一、電子產品安全性和電磁兼容性的重要性

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

電磁兼容性（EMC）是指電子產品在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾能力。因此，EMC包括兩方面的要求：一方面是指電子產品在正常運行過程中自身產生的電磁騷擾不能對其他電子產品產生過大的影響，不能超過一定的限值，即電磁騷擾（EMI）；另一方面是指電子產品本身對所在環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）。

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

二、安規電容是影響開關電源安全性和電磁兼容性的主要因素

現代許多電子產品的供電電路主要構成部分是開關電源，而開關電源的關鍵元器件之一就是安規電容。

根據IEC 60384－14－2005《電子設備用的固定電容器第14－2部分：空白詳細規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，它適用于當該電容失效時不會導致電擊、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致電擊、危及人身安全的場合。

在開關電源中使用的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《電子設備用固定電容器第14部分：分規范抑制電源電磁干擾用固定電容器》中電容器額定值，表2為電容器應用參考示例。

表1中電容器的應用規則：

·用來橋接基本絕緣、附加絕緣或加強絕緣的電容器應當是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 電容器應用的參考示例

·電容器的電壓額定值應當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，其峰值試驗電壓應當至少等于要求的耐壓。

·對橋接雙重絕緣或加強絕緣的單個電容器，其峰值試驗電壓應當至少等于要求耐壓的2倍。

·允許使用如下比規定等級更高的電容器：

——如果規定使用Y2類，則允許使用Y1類；

——如果規定使用Y4類，則允許使用Y1類或Y2類；

——如果規定使用X1類，則允許使用Y1類或Y2類；

——如果規定使用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代替規定的單個電容器：

——如果規定使用Y1類，則允許使用Y1類或Y2類；

——如果規定使用Y2類，則允許使用Y2類或Y4類；

——如果規定使用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，應當符合：

——所有電容器具有相同的標稱電容量值；

——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；

——符合上述其他規則。

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

根據實際需要，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致電源插頭長時間帶電，從而產生電擊危險。GB 8898－2011規定，當正在工作中的電子產品電源線被拔掉時，在2 s內，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，是對電子產品是否存在觸電危險的重要判據之一。Y電容與接觸電流的大小有著休戚相關的聯系。接觸電流是指人或動物在接觸電子產品時流過身體的電流。當電子產品通電后，該電子產品開關電源中Y電容會將電子組件所產生的電磁輻射通過地線導到地下，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備）。當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，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）。人體接觸電子產品的外殼就可能會有觸電的感覺。當正常接地時，因為電容是“通電流”，產生的接觸電流流入保護地，因此人手觸摸沒有異常。

三、安規電容的合理設計和選用

在電子產品抑制電磁干擾的設計過程中，出于電磁兼容性能的考慮，通常將電容器作為關鍵的濾波器件。為了抑制共模干擾和差模干擾，采用在被濾波導線與共模電壓參考地之間連接旁路電容的方法進行共模濾波；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電容一般標有安全認證標志和耐壓AC250 V或AC275 V字樣，其真正的直流耐壓高達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，而其內阻相應較小。X電容容值的大小直接關系到電子產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小；同時，對電子產品EMC性能中的抑制EMI傳導干擾也有很大影響。

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

根據公式（1）和公式（2）可以推導出流過電容的電流（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品,由于接地導體的阻抗要遠小于人體的阻抗,在設備中由Y電容形成的電流會通過接地導體直接流入大地。但根據接觸電流的定義,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，如果當接地導體斷開后，人體再接觸電子產品的金屬外殼時，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。根據公式(3)可以看出,如果選用的Y電容容值偏大就會直接導致接觸電流偏大，二者之間是正比例關系。

故Y電容的總電容值必須受到限制，從而達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品EMC性能影響的目的。在電磁兼容性的實際測試的結果反饋中可知，為了有效濾除產品通過傳導的方式影響電網的噪聲騷擾，Y電容容值一般被控制在不大于0.1 μF的范圍以內，如果為了更好地抑制產品的傳導騷擾，選用的Y電容總容值一般都不超過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，再根據實際使用環境中的產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：上海市質量監督檢驗技術研究院）