Как использовать конденсаторы безопасности класса X и класса Y

Изолированные источники питания намеренно используют различные сети заземления, чтобы держать домены питания раздельно. Это делается частично в целях безопасности и частично для EMC, хотя эти две области в определенных отраслевых стандартах связаны между собой. Для контроля шума в этих системах мы используем несколько важных техник в рамках фильтрации EMI. Одной из этих техник является использование так называемых безопасных конденсаторов, также известных как конденсаторы класса X и класса Y.

Эти конденсаторы не являются специальными или уникальными. Так же, как и декаплинговый конденсатор, термин «безопасность» относится к функции и размещению конденсатора, а не к определенному типу конденсатора. Моя миссия в этой статье - сделать вас экспертом в использовании этих конденсаторов. Давайте погрузимся.

Где размещаются безопасные конденсаторы

В изолированных источниках питания безопасные конденсаторы размещаются в основном в двух местах:

• Как элемент фильтрации на входном линейном напряжении
• Как соединение сети между гальванически изолированными заземлениями

В первом случае конденсаторы класса X и класса Y размещаются в цепях фильтра EMI на переднем крае источника питания. Это может быть в дополнение к ферритовому дросселю на входном питающем кабеле, а также к дросселям общего или дифференциального режима на этапах фильтрации EMI.

Прежде чем мы продолжим, давайте уточним несколько определений. Конденсаторы класса X и класса Y определяются их номинальными напряжениями переменного тока, как указано в стандарте IEC 60384-14. Обратите внимание, что этот стандарт является стандартом, основанным на производительности, что означает, что любой конденсатор, удовлетворяющий этим требованиям, заслуживает соответствующей классификации X или Y в таблице ниже.

Основное соображение при выборе этих конденсаторов заключается в том, могут ли они выдержать некоторое целевое пиковое напряжение. Для конденсаторов класса Y также важна амплитуда напряжения переменного тока. Исходя из этих моментов, мы теперь можем понять, где они должны быть размещены как часть входной фильтрации.

Размещение в изолированных источниках питания

В изолированных источниках питания, конденсаторы класса X и класса Y используются для устранения определенных типов помех. Конденсаторы класса Y применяются для борьбы с общими (common-mode) помехами, используя общую точку шунтирования на землю. Например, при использовании на входе переменного тока в источник питания постоянного тока, один конденсатор класса Y используется на каждом из соединений линии и нейтрали с Землей, как показано ниже. Тот же тип соединения с Землей может использоваться после выпрямительного моста, хотя это очень редко.

Конденсаторы класса X используются для фильтрации дифференциальных помех таким же образом, но они подключаются между линией и нейтралью. Эти конденсаторы также показаны ниже.

Другой случай использования этих конденсаторов - для соединения двух гальванически изолированных земель в изолированном источнике питания. Обычно для этого рекомендуется использовать конденсатор безопасности класса Y, но также может быть использован конденсатор безопасности класса X. Идея здесь в том, что соединение позволяет высокочастотным токам помех проходить между землями по мере необходимости, вместо того чтобы позволять им излучать свою энергию вне печатной платы.

Требование к емкости для этого соединения заключается в том, что значение конденсатора безопасности должно быть значительно больше, чем паразитная емкость обмотки. Это обычно означает, что конденсатор класса Y с емкостью от 1 нФ до 1 мкФ будет работать, в зависимости от требуемого диапазона частот для обхода на первичную сторону системы. Это соединение моста земель показано ниже. Обратите внимание на место, где определена PGND на выходной стороне выпрямительного моста.

Обратите внимание на место, где назначена PGND: это после выпрямительного моста! Это очень важно, потому что мы соединяем две земли постоянного тока с конденсатором 2200 пФ. Если бы мы подключили его к нейтрали, к конденсатору 2200 пФ было бы приложено высокое переменное напряжение, что могло бы уничтожить конденсатор.

Примеры конденсаторов класса X и класса Y

Ниже показаны некоторые примеры конденсаторов, которые могут соответствовать требованиям производительности IEC 60384-14. Такие детали легко найти на Octopart; лучшая стратегия - начать с поиска на основе ожидаемого требования к защите от переменного напряжения (для класса Y) или требования к импульсу для класса X. Некоторые примеры конденсаторов класса Y показаны в таблице.

Что насчет разделенных земель в смешанных сигнальных печатных платах?

Прежде всего, я дам новичкам самый важный совет:

Перестаньте разделять землю на аналоговую и цифровую. Вы создадите больше проблем, чем решите.

Наверное, я должен был бы советовать людям продолжать это делать, только потому что им придется нанимать кого-то вроде меня для устранения возникающих проблем с ЭМП, когда плоскости разделены. К счастью, мне больше заботы доставляет ваш кошелек, чем мой.

Изолированные источники питания и платы с изолированными ASIC, такими как АЦП, включают эти разделения по очень конкретным причинам. Это не значит, что вам следует делать то же самое на вашей смешанной плате только потому, что она содержит АЦП и МК. Лучше всего использовать единую плоскость земли.

Тем не менее, существует очень конкретный случай точных измерений низкой частоты с низкими значениями С/Ш, когда иногда лучше работает плоскость с разделением и безопасным конденсатором или ферритом, соединяющим две земли. В этом случае вы все еще можете использовать конденсатор или феррит (или оба), чтобы контролировать путь возврата и токи помех. Если вы не знаете, как или зачем это делать, тогда не делайте этого.

Независимо от того, создает ли ваша команда передовые прототипы или переводит новый продукт в производство, Altium Designer® предоставляет разработчикам печатных плат все необходимое для проектирования с учетом стоимости, качества, и теперь предлагает эти возможности для комплексной оценки плат с точки зрения электрических и тепловых характеристик через платформу Altium 365™.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.