Comment utiliser les condensateurs de sécurité de classe X et classe Y

Les alimentations isolées utilisent intentionnellement différents réseaux de masse pour garder les domaines de puissance séparés. Cela est en partie fait pour la sécurité et en partie pour la CEM, bien que les deux domaines soient quelque peu liés dans certaines normes industrielles. Afin de contrôler le bruit dans ces systèmes, nous utilisons quelques techniques importantes dans le cadre du filtrage CEM. L'une de ces techniques est l'utilisation de ce que l'on appelle des condensateurs de sécurité, également connus sous le nom de condensateurs de classe X et de classe Y.

Ces condensateurs ne sont pas spéciaux ou uniques. Tout comme un condensateur de découplage, le terme « sécurité » se réfère à la fonction et au placement du condensateur, et non à un type spécifique de condensateur. Ma mission dans cet article est de vous rendre expert dans l'utilisation de ces condensateurs. Plongeons dans le sujet.

Où les condensateurs de sécurité sont placés

Dans les alimentations isolées, les condensateurs de sécurité sont principalement placés dans deux emplacements :

• Comme élément de filtrage sur la ligne de tension d'entrée
• Comme connexion de réseau entre des masses galvaniquement isolées

Dans le premier cas, les condensateurs de classe X et classe Y sont placés dans les circuits de filtrage CEM à l'avant d'une alimentation. Cela pourrait être en plus d'une ferrite sur le câble d'alimentation d'entrée, ainsi que des bobines à mode commun ou différentiel dans les étapes de filtrage CEM.

Avant d'aller plus loin, clarifions quelques définitions. Les condensateurs de classe X et classe Y sont définis par leurs notations de tension AC telles que spécifiées dans la norme IEC 60384-14. Notez que cette norme est une norme basée sur la performance, ce qui signifie que tout condensateur qui satisfait à ces exigences mérite la classification X ou Y pertinente dans le tableau ci-dessous.

La principale considération concernant la sélection de ces condensateurs est de savoir s'ils peuvent supporter une certaine valeur de tension de crête cible. Pour les condensateurs de classe Y, la considération est également l'amplitude de la tension AC. Sur la base de ces points, nous pouvons maintenant voir où ceux-ci doivent être placés dans le cadre du filtrage d'entrée.

Placement dans les alimentations isolées

Dans les alimentations isolées, les condensateurs de classe X et de classe Y sont placés pour adresser des types spécifiques de bruits. Les condensateurs de classe Y sont utilisés pour adresser le bruit en mode commun en utilisant un point de shunt commun à la terre. Par exemple, lorsqu'ils sont utilisés sur une entrée AC d'une alimentation DC, un condensateur de classe Y est utilisé sur chacune des connexions de ligne et neutre à la Terre, comme montré ci-dessous. Le même type de connexion à la Terre pourrait être utilisé après un redresseur en pont, bien que cela soit très peu commun.

Les condensateurs de classe X sont utilisés pour filtrer le bruit en mode différentiel de la même manière, mais ils sont connectés entre la ligne et le neutre. Ces condensateurs sont également montrés ci-dessous.

L'autre instance où vous utiliseriez l'un de ces condensateurs est pour relier les deux terres galvaniquement isolées dans une alimentation isolée. Normalement, un condensateur de sécurité de classe Y est recommandé pour cela, mais un condensateur de sécurité de classe X pourrait également être utilisé. L'idée ici est que la connexion permet aux courants de bruit haute fréquence de passer entre les terres selon les besoins plutôt que de leur permettre de rayonner leur énergie loin du PCB.

Le besoin en capacité pour cette connexion est que la valeur du condensateur de sécurité doit être bien plus grande que la capacité parasite de l'enroulement. Cela signifie généralement qu'un condensateur de classe Y avec 1 nF à 1 uF fonctionnera, selon la plage de fréquences requise pour le bypass vers le côté primaire du système. Cette connexion de pontage de réseau de terre est montrée ci-dessous. Notez l'emplacement où PGND est défini sur le côté de sortie du redresseur en pont.

Remarquez l'emplacement où PGND est attribué : c'est après le redresseur en pont ! C'est très important car nous connectons deux terres DC avec le condensateur de 2200 pF. Si nous le connectons au neutre, nous aurions une haute tension AC attachée au condensateur de 2200 pF, ce qui pourrait détruire le condensateur.

Exemple de condensateurs de classe X et de classe Y

Quelques exemples de condensateurs qui pourraient répondre aux exigences de performance de l'IEC 60384-14 sont montrés ci-dessous. Des pièces comme celles-ci sont faciles à trouver sur Octopart ; la meilleure stratégie est de commencer par une recherche basée sur l'exigence de protection de tension AC attendue (pour la classe Y) ou sur l'exigence de pulsation pour la classe X. Quelques exemples de condensateurs de classe Y sont montrés dans le tableau.

Et les terres séparées dans les PCB à signaux mixtes ?

Tout d'abord, je vais donner aux nouveaux concepteurs le conseil le plus important :

Arrêtez de séparer les plans de masse analogiques et numériques. Vous créerez plus de problèmes que vous n'en résoudrez.

Je devrais probablement dire aux gens de continuer à le faire uniquement parce qu'ils auront besoin d'embaucher quelqu'un comme moi pour résoudre les problèmes d'EMI résultants lorsque les plans sont séparés. Heureusement, je me soucie plus de votre portefeuille que du mien.

Les alimentations isolées et les cartes avec ASICs isolés comme les ADCs incluent ces séparations pour des raisons très spécifiques. Cela ne signifie pas que vous devriez faire la même chose dans votre carte à signaux mixtes juste parce qu'elle contient un ADC et un MCU. Vous êtes mieux avec un plan de masse uniforme.

Cela dit, il existe un cas très spécifique de mesures de précision à basse fréquence avec des valeurs de SNR faibles qui fonctionne parfois mieux avec un plan séparé et un condensateur de sécurité ou une ferrite reliant les deux masses. Dans ce cas, vous pouvez toujours utiliser un condensateur ou une ferrite (ou les deux) pour contrôler le chemin de retour et les courants de bruit. Si vous ne savez pas comment ou pourquoi faire cela, alors ne le faites pas.

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