Cách Sử Dụng Tụ Điện An Toàn Lớp X và Lớp Y

Các nguồn cấp điện cô lập sử dụng cố ý các mạng nối đất khác nhau để giữ cho các miền nguồn điện được tách biệt. Điều này được thực hiện một phần vì lý do an toàn và một phần vì EMC, mặc dù hai lĩnh vực này có mối liên hệ nhất định trong một số tiêu chuẩn ngành. Để kiểm soát tiếng ồn trong các hệ thống này, chúng tôi sử dụng một số kỹ thuật quan trọng như một phần của việc lọc EMI. Một trong những kỹ thuật này là sử dụng các loại tụ điện an toàn, còn được biết đến là tụ điện lớp X và lớp Y.

Các tụ điện này không phải là đặc biệt hay duy nhất. Giống như một tụ điện giảm nhiễu, thuật ngữ “an toàn” ám chỉ chức năng và vị trí đặt của tụ điện, không phải là một loại tụ điện cụ thể. Sứ mệnh của tôi trong bài viết này là làm cho bạn trở thành một chuyên gia về việc sử dụng các tụ điện này. Hãy cùng tìm hiểu.

Vị trí đặt tụ điện an toàn

Trong các nguồn cấp điện cô lập, tụ điện an toàn chủ yếu được đặt ở hai vị trí:

• Là một phần tử lọc trên dòng điện đầu vào
• Là một kết nối mạng giữa các nối đất cô lập về mặt điện

Trong trường hợp đầu tiên, tụ điện lớp X và lớp Y được đặt trong mạch lọc EMI ở phía trước của một nguồn cấp điện. Điều này có thể được thực hiện thêm vào một cuộn cảm ferrite trên cáp điện đầu vào, cũng như cuộn cảm chế độ chung hoặc chế độ khác biệt trong các giai đoạn lọc EMI.

Trước khi chúng ta tiếp tục, hãy làm rõ một số định nghĩa. Tụ điện lớp X và lớp Y được xác định bởi các đánh giá điện áp AC của chúng như được quy định trong tiêu chuẩn IEC 60384-14. Lưu ý rằng tiêu chuẩn này là một tiêu chuẩn dựa trên hiệu suất, có nghĩa là bất kỳ tụ điện nào đáp ứng được các yêu cầu này đều xứng đáng có phân loại X hoặc Y tương ứng trong bảng dưới đây.

Yếu tố chính cần xem xét khi lựa chọn các tụ điện này là liệu chúng có thể chịu được giá trị điện áp xung đỉnh mục tiêu nào đó hay không. Đối với tụ điện lớp Y, yếu tố cần xem xét cũng là biên độ điện áp AC. Dựa trên những điểm này, chúng ta có thể thấy chúng cần được đặt ở đâu như một phần của việc lọc đầu vào.

Vị trí đặt trong các nguồn cấp điện cô lập

Trong nguồn cấp điện cách ly, tụ điện lớp X và lớp Y được đặt để giải quyết các loại nhiễu cụ thể. Tụ điện lớp Y được sử dụng để giải quyết nhiễu chế độ chung bằng cách sử dụng một điểm shunt chung với mặt đất. Ví dụ, khi sử dụng ở đầu vào AC của một nguồn cấp điện DC, một tụ điện lớp Y được sử dụng trên mỗi kết nối dây và trung tính với Mặt đất, như được hiển thị bên dưới. Cùng một loại kết nối với Mặt đất có thể được sử dụng sau một cầu chỉnh lưu, mặc dù điều này rất hiếm gặp.

Tụ điện lớp X được sử dụng để lọc nhiễu chế độ sai khác theo cùng một cách, nhưng chúng được kết nối qua dây và trung tính. Các tụ điện này cũng được hiển thị bên dưới.

Trường hợp khác bạn sẽ sử dụng một trong những tụ điện này là để cầu nối hai mặt đất cách điện galvanic trong một nguồn cấp điện cách ly. Thông thường, một tụ điện an toàn lớp Y được khuyến nghị cho việc này, nhưng một tụ điện an toàn lớp X cũng có thể được sử dụng. Ý tưởng ở đây là kết nối cho phép dòng nhiễu tần số cao chuyển tiếp giữa các mặt đất khi cần thiết thay vì cho phép chúng phát ra năng lượng ra xa khỏi PCB.

Yêu cầu về dung lượng cho kết nối này là giá trị của tụ điện an toàn phải lớn hơn nhiều so với dung lượng quấn cảm ứng nhiễu. Điều này thường có nghĩa là một tụ điện lớp Y với 1 nF đến 1 uF sẽ hoạt động, tùy thuộc vào dải tần số cần được bỏ qua sang phía bên kia của hệ thống. Kết nối cầu nối mạng đất này được hiển thị bên dưới. Lưu ý vị trí PGND được xác định ở phía đầu ra của cầu chỉnh lưu.

Lưu ý vị trí PGND được gán: nó nằm sau cầu chỉnh lưu! Điều này rất quan trọng vì chúng ta đang kết nối hai mặt đất DC với tụ điện 2200 pF. Nếu chúng ta kết nối nó với trung tính, chúng ta sẽ có điện áp AC cao gắn với tụ điện 2200 pF, có thể phá hủy tụ điện.

Ví dụ về Tụ điện Lớp X và Lớp Y

Một số ví dụ về tụ điện có thể đáp ứng yêu cầu hiệu suất IEC 60384-14 được hiển thị bên dưới. Các bộ phận như thế này dễ tìm trên Octopart; chiến lược tốt nhất là bắt đầu với một tìm kiếm dựa trên yêu cầu bảo vệ điện áp AC dự kiến (cho lớp Y) hoặc yêu cầu xung cho lớp X. Một số ví dụ về tụ điện lớp Y được hiển thị trong bảng.

Về việc chia mặt đất trong PCB tín hiệu hỗn hợp?

Đầu tiên, tôi sẽ đưa ra lời khuyên quan trọng nhất cho các nhà thiết kế mới:

Đừng chia mặt đất thành các mặt phẳng analog và digital. Bạn sẽ tạo ra nhiều vấn đề hơn là giải quyết.

Có lẽ tôi nên khuyên mọi người tiếp tục làm điều đó chỉ vì họ sẽ cần thuê ai đó như tôi để sửa chữa các vấn đề EMI phát sinh khi mặt đất bị chia. May mắn thay, tôi quan tâm đến túi tiền của bạn hơn là của tôi.

Các nguồn cung cấp điện cô lập và các bảng mạch với ASIC cô lập như ADCs bao gồm những phân chia này vì những lý do cụ thể. Điều đó không có nghĩa là bạn nên làm điều tương tự trên bảng mạch tín hiệu hỗn hợp của mình chỉ vì nó chứa một ADC và một MCU. Bạn sẽ tốt hơn nếu chỉ sử dụng một mặt đất đồng nhất.

Tuy nhiên, có một trường hợp cụ thể về việc đo lường tần số thấp chính xác với giá trị SNR thấp đôi khi hoạt động tốt hơn với một mặt đất chia và một tụ an toàn hoặc cầu ferrite nối hai mặt đất. Trong trường hợp đó, bạn vẫn có thể sử dụng tụ điện hoặc ferrite (hoặc cả hai) để kiểm soát đường dẫn trở lại và dòng điện nhiễu. Nếu bạn không biết làm thế nào hoặc tại sao phải làm điều này, thì đừng làm.

Cho dù đội của bạn đang tạo ra các nguyên mẫu tiên tiến hay chuyển một sản phẩm mới vào quá trình sản xuất, Altium Designer® cung cấp cho các nhà thiết kế PCB mọi thứ họ cần để thiết kế với chi phí, chất lượng, và bây giờ cung cấp khả năng này để đánh giá toàn diện các bảng mạch về hiệu suất điện và nhiệt thông qua nền tảng Altium 365™.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngày hôm nay.