安规电容对电子产品安全性和电磁兼容性的影响

文/王世栩 王沈敏

安规电容对电子产品安全性和电磁兼容性的影响

文/王世栩 王沈敏

随着电子产品中开关电源的广泛使用，开关电源中安规电容——X电容和Y电容的选用因其涉及到电子产品的安全性和电磁兼容性而受到越来越多的关注。本文仅就以上两类电容器的选用及其对电子产品安全和电磁兼容性能的影响进行了初步探析。

电子产品 安规电容 安全性 电磁兼容性

随着开关电源在电子产品（本文主要针对音视频、信息类产品）中广泛应用，使用和接触带有开关电源电子产品的人群日趋庞大。因为应用范围广泛，使用人员的文化层次和技术素质又参差不齐，致使电子产品的安全性和电磁兼容性显得尤为重要。目前，世界各国、不同使用领域的电子产品都有各自相应的安全标准和电磁兼容标准。在我国，电子产品涉及的安全标准主要有：GB 4943－2011《信息技术设备安全第1部分：通用要求》和GB 8898－2011《音频、视频及类似电子设备安全要求》；涉及的电磁兼容标准主要包括：GB13837－2012《声音和电视广播接收机及有关设备无线电骚扰特性限值和测量方法》、GB 9254－2008《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》和GB 17625.1－2012《电磁兼容限值谐波电流发射限值（设备每相输入电流16A）》。电子产品必须通过包含以上安全性能、电磁兼容性能两大标准的CCC强制性认证才能正式生产销售。其中，电子产品的主要构成部分——开关电源的安全性和电磁兼容性因涉及面广，已受到越来越多的关注。

开关电源中使用的电容器按应用功能分有很多种类，比如耦合电容、滤波电容、振荡电容、软启动电容、频率补偿电容、安规电容等。其中，安规电容是开关电源的主要元器件，它的安装和选用对开关电源以及电子产品的安全性和电磁兼容性起到很重要的作用。

一、电子产品安全性和电磁兼容性的重要性

安全性是指电子产品在使用过程中应避免由电击、过高温度、辐射、爆炸、机械危险和着火等各种危险所造成的人身伤害或财产损失。

电磁兼容性（EMC）是指电子产品在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰能力。因此，EMC包括两方面的要求：一方面是指电子产品在正常运行过程中自身产生的电磁骚扰不能对其他电子产品产生过大的影响，不能超过一定的限值，即电磁骚扰（EMI）；另一方面是指电子产品本身对所在环境中存在的电磁骚扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性（EMS）。

电子产品在使用中如果安全性出现问题将会对人身造成伤害，引起财产损失和对周围环境的损害。电磁兼容性则涉及到电子产品在使用中对其他电子产品产生电磁干扰或辐射，同时其本身也受到其他电子产品的电磁干扰。这些不仅影响到该电子产品的可靠性和安全性，也影响到其他电子产品的正常工作和稳定性，可能导致产品功能失效，甚至引起安全危险。

二、安规电容是影响开关电源安全性和电磁兼容性的主要因素

现代许多电子产品的供电电路主要构成部分是开关电源，而开关电源的关键元器件之一就是安规电容。

根据IEC 60384－14－2005《电子设备用的固定电容器第14－2部分：空白详细规范抑制电磁干扰和连接电源用电容器仅安全试验》，可将安规电容分为X电容及Y电容两类。X电容是指跨接在输入线两端之间的电容器，它适用于当该电容失效时不会导致电击、不危及人身安全场合；Y电容是指跨接于火线和地线（L－G）之间以及在零线和地线（N－G）之间的电容器，它适用于电容失效时会导致电击、危及人身安全的场合。

在开关电源中使用的X电容分为X1电容和X2电容，它们的主要差别为：X1电容耐高压大于2.5 kV，小于等于4 kV；X2电容耐高压小于等于2.5 kV。

开关电源中的Y电容可分为Y1电容、Y2电容和Y4电容，主要差别如下：Y1电容耐高压大于8 kV；Y2电容耐高压大于5 kV、小于8 kV；Y4电容耐高压大于2.5 kV、小于5 kV。

表1为GB/T 14472－1998《电子设备用固定电容器第14部分：分规范抑制电源电磁干扰用固定电容器》中电容器额定值，表2为电容器应用参考示例。

表1中电容器的应用规则：

·用来桥接基本绝缘、附加绝缘或加强绝缘的电容器应当是Y类电容器，但也允许用一个X类电容器桥接二次电路中的基本绝缘。

表1 电容器额定值

表2 电容器应用的参考示例

·电容器的电压额定值应当至少等于跨在被桥接绝缘上的有效值工作电压。

·对桥接功能绝缘、基本绝缘或附加绝缘的单个电容器，其峰值试验电压应当至少等于要求的耐压。

·对桥接双重绝缘或加强绝缘的单个电容器，其峰值试验电压应当至少等于要求耐压的2倍。

·允许使用如下比规定等级更高的电容器：

——如果规定使用Y2类，则允许使用Y1类；

——如果规定使用Y4类，则允许使用Y1类或Y2类；

——如果规定使用X1类，则允许使用Y1类或Y2类；

——如果规定使用X2类，则允许使用X1类，Y1类或Y2类。

·允许使用如下两个或更多电容器串联代替规定的单个电容器：

——如果规定使用Y1类，则允许使用Y1类或Y2类；

——如果规定使用Y2类，则允许使用Y2类或Y4类；

——如果规定使用X1类，则允许使用X1类或X2类。

·如果使用两个或更多的电容器串联，应当符合：

——所有电容器具有相同的标称电容量值；

——每一个电容器的额定值都是其跨接的整体绝缘有效值工作电压；

——符合上述其他规则。

电子产品的开关电源在设计过程中，出于安全性能和电磁兼容性能的考虑，一般在开关电源的电源接入端增加抑制EMI传导干扰的X电容和Y电容。

根据实际需要，X电容的容值允许比Y电容的容值大，但此时必须在X电容的两端并联一个安全电阻，用于防止电源线插拔时，由于该电容的充放电过程而导致电源插头长时间带电，从而产生电击危险。GB 8898－2011规定，当正在工作中的电子产品电源线被拔掉时，在2 s内，电源插头两端的开路电压必须小于交流35 V（峰值）或直流60 V危险电压，相对应的安全测试项目是放电量以及断电2 s后电源插头两端放电电压的检测。

在电子产品的安全性测试项目中，还有一项接触电流的测试项目，是对电子产品是否存在触电危险的重要判据之一。Y电容与接触电流的大小有着休戚相关的联系。接触电流是指人或动物在接触电子产品时流过身体的电流。当电子产品通电后，该电子产品开关电源中Y电容会将电子组件所产生的电磁辐射通过地线导到地下，减少了对人体的伤害以及对电源的污染（干扰电源线路上其他电气设备）。当接地线未接好或未接时，由于Y电容和万用表阻抗较高，阻抗值相当，因此在220V～输入电压时，用万用表测量外壳与地之间的电压一般会显示在100～220 V之间（随空气湿度、Y电容容值的不同会有所不同）。人体接触电子产品的外壳就可能会有触电的感觉。当正常接地时，因为电容是“通电流”，产生的接触电流流入保护地，因此人手触摸没有异常。

三、安规电容的合理设计和选用

在电子产品抑制电磁干扰的设计过程中，出于电磁兼容性能的考虑，通常将电容器作为关键的滤波器件。为了抑制共模干扰和差模干扰，采用在被滤波导线与共模电压参考地之间连接旁路电容的方法进行共模滤波；采用在信号线和信号地线之间连接旁路电容的方法进行差模滤波。在抑制电磁干扰时，电容器的作用是将干扰旁路掉，选用的电容器对干扰信号具有很低的阻抗。从理想电容的公式分析，当电容容值一定时，信号频率越高，回路阻抗越低，说明电容易于滤除高频的干扰成分。但是在实际使用中，如果选用的电容容值越大，则谐振频率越低，这意味着电容对高频干扰的滤波效果越差。所以通常在开关电源的电源接入端放置1～10 μF的电容来滤除低频干扰信号；在开关电源的电源与地线之间放置0.01～0.1μF的电容来滤除高频干扰信号。

X电容一般标有安全认证标志和耐压AC250 V或AC275 V字样，其真正的直流耐压高达2 000 V以上，通常X电容多选用耐纹波电流比较大的聚脂薄膜类电容，这种类型的电容，体积较大，但其允许瞬间充放电的电流也很大，而其内阻相应较小。X电容容值的大小直接关系到电子产品安全性能中的放电量和断电2 s后电源插头两端放电电压的大小；同时，对电子产品EMC性能中的抑制EMI传导干扰也有很大影响。

根据电容“隔直通交”的特性，当交流电通过电容时，就会通过电容产生一个电流。根据电路的欧姆定律，电流与电路中的电压（）和电路等效阻抗（）关系见公式（1）：

根据公式（1）和公式（2）可以推导出流过电容的电流（I）的计算公式见公式（3）：

正常情况下，对于金属外壳的电子产品,由于接地导体的阻抗要远小于人体的阻抗,在设备中由Y电容形成的电流会通过接地导体直接流入大地。但根据接触电流的定义,不仅在正常工作时接触电流要满足要求,在故障情况下也要满足要求。因此，如果当接地导体断开后，人体再接触电子产品的金属外壳时，接触电流就会完全通过人体流入大地。如果接触电流偏大,就会对人体造成伤害。根据公式(3)可以看出,如果选用的Y电容容值偏大就会直接导致接触电流偏大，二者之间是正比例关系。

故Y电容的总电容值必须受到限制，从而达到控制在某额定频率及额定电压作用下，减小流过它的接触电流的大小和降低对电子产品EMC性能影响的目的。在电磁兼容性的实际测试的结果反馈中可知，为了有效滤除产品通过传导的方式影响电网的噪声骚扰，Y电容容值一般被控制在不大于0.1 μF的范围以内，如果为了更好地抑制产品的传导骚扰，选用的Y电容总容值一般都不超过4 700 pF。

从另一方面来说Y电容容值选择越大，则安全性能涉及的接触电流越大，但电磁兼容性能涉及的抗干扰度越好。所以，Y电容容值选择必须兼顾这两方面的需求，再根据实际使用环境中的产品功能需要选取一个临界值，使安全性能和电磁性能都能得到满足。

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

（作者单位：上海市质量监督检验技术研究院）