【导读】在开关电源的设计中，电磁兼容性（EMC）是衡量产品质量的重要指标。据统计，超过50%的产品在首次EMC测试中无法通过，这在很大程度上源于对安全电容设计的忽视。
在开关电源的设计中，电磁兼容性（EMC）是衡量产品质量的重要指标。据统计，超过50%的产品在首次EMC测试中无法通过，这在很大程度上源于对安全电容设计的忽视。
作为电磁兼容设计中的关键元件，X电容和Y电容虽然在外观上相似，却在电路中都扮演着不可替代的角色。它们的正确使用，直接关系到电源系统能否满足严格的电磁兼容标准。
01 隔离电源与电磁兼容性的重要性
隔离电源的设计本质是在输入与输出电路之间建立电气隔离屏障，通过变压器、光耦或电容等元件实现能量和信号的传输。
这种隔离不仅能防止高压浪涌损坏敏感电路，还能消除不同接地电位引起的干扰问题。
在电磁兼容性方面，隔离电源面临双重挑战：一方面需要抑制内部的电磁干扰，防止其对电网或其他设备造成影响；另一方面要抵御外部的干扰，保证自身在复杂电磁环境中的稳定运行。
根据IEC标准，隔离可分为功能型、基本型、补充型和增强型四个级别，不同级别对应不同的安全要求和应用场景。
一项专业研究显示，优良的隔离设计能将系统共模噪声抑制比提高40-60dB，显著提升系统在恶劣电磁环境下的稳定性。
02 电磁兼容性设计的核心原则
电磁兼容设计主要从三个层面入手：减小干扰源的电磁干扰能量、切断干扰传播途径以及提高受扰设备的抗干扰能力。
开关电源由于内部的快速开关动作（IGBT或MOSFET），会产生较高的di/dt和dv/dt，从而形成强烈的电磁干扰。
设计中的常见策略包括：使用瞬态电压抑制二极管和压敏电阻来吸收瞬变浪涌，采用直流EMI滤波器并确保良好接地，以及构建低通滤波电路以减小输入线上的纹波电压。
在开关管开通和关断时，由于开关时间很短以及引线电感、变压器漏感的存在，回路会产生较高的di/dt、dv/dt，从而形成电磁干扰。
为减少△V，就必须减小回路引线电感值，为此，在设计时常使用一种叫 “多层低感复合母排” 的装置，该种母排装置能将回路电感降低到足够小，达lOnH级，从而达到减小高频逆变回路电磁干扰的目的。
03 X电容与Y电容的基础知识
什么是X电容？
X电容，全称为“线对线电容”，跨接在火线（L）与零线（N）之间，用于消除来自电力线的差模干扰。
它被称为“X”电容是因为其连接位置形如字母“X”。X电容的容值通常比Y电容大，能够吸收火线与零线之间的高频噪声。
什么是Y电容？
Y电容，全称为“线对地电容”，跨接于火线（L）与地线（G）或零线（N）与地线（G）之间，主要抑制共模干扰。
它之所以被称为“Y”电容，是因为其连接方式形似字母“Y”。Y电容的总容量一般都不能超过4700pF，以防止对地漏电流过大。
关键差异与特点
X电容和Y电容虽然都是安规电容，但在功能、连接位置和安全要求上存在明显差异。
安规电容的放电和普通电容不一样，普通电容在外部电源断开后电荷会保留很长时间，如果用手触摸就会被电到，而安规电容则没这个问题。
作为安全电容之一的X电容，也要求必须取得安全检测机构的认证。X电容一般都标有安全认证标志和耐压AC250V或AC275V字样，但其真正的直流耐压高达2000V以上。
Y电容除符合相应的电网电压耐压外，还要求这种电容器在电气和机械性能方面有足够的安全余量，避免在极端恶劣环境条件下出现击穿短路现象。
04 安规电容的分类与技术标准
X电容的分类
根据IEC 60384-14标准，X电容按耐压水平分为三类：
X1电容：峰值脉冲电压在2.5kV至4.0kV之间
X2电容：峰值脉冲电压小于或等于2.5kV
X3电容：峰值脉冲电压小于或等于1.2kV
Y电容的分类
Y1电容：额定电压小于或等于500VAC
Y2电容：额定电压小于或等于150VAC至300VAC
Y3电容：额定电压小于或等于150VAC至250VAC
Y4电容：额定电压小于150VAC
国际安全标准
安规电容必须符合国际安全标准，包括欧洲的EN 60384-14、美国的UL 60384-14、加拿大的CAN/CSA-E60384-14和中国的CQC（GB/T 6346.14-2015或IEC 60384-14） 等。
在认证过程中，执行的两项关键测试是脉冲和耐久性测试。电容器必须能够承受十次交替极性的脉冲，然后进行1000小时的耐久交流寿命测试。
05 X电容与Y电容在电路中的应用设计
典型电路配置
在交流电源输入端，通常需要增加3个安全电容来抑制EMI传导干扰。完整的EMI滤波电路由X电容、Y电容和共模扼流圈组成。
注重品质的电源往往会加入两级EMI滤波电路设计。一般而言，一级EMI滤波电路位于电源插座处，另一级位于电源的PCB板上。
X电容的设计要点
X电容由于连接的位置关键，需要符合相关安全标准。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。
这一电阻用于防止电源线拔插时，由于该电容的充放电过程而致电源线插头长时间带电。安全标准规定，当正在工作之中的机器电源线被拔掉时，在两秒钟内，电源线插头两端带电的电压必须小于原来额定工作电压的30%。
通常，X电容多选用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。
Y电容的设计要点
由于Y电容连接的位置比较关键，必须符合相关安全标准，以防引起电子设备漏电或机壳带电，容易危及人身安全及生命。
一般情况下，工作在亚热带的机器，要求对地漏电电流不能超过0.7mA；工作在温带机器，要求对地漏电电流不能超过0.35mA。因此，Y电容的总容量一般都不能超过4700pF（472）。
Y电容不得随意使用标称耐压AC250V或者DC400V之类的普通电容来代用。它们的直流耐压实际高达5000V以上。
06 隔离电源EMC设计实用技巧
浪涌防护设计
电源模块在实际应用中，工程师们经常使用浪涌防护电路来确保EMC性能，保证系统的稳定性。浪涌电压的来源有多种，比如：雷击、短路故障、设备频繁开机等。
为提高输入级的浪涌防护能力，在外围增加了压敏电阻和TVS管。正确的接法一般是在两个MOV或是MOV和TVS之间接一个电感或电阻，将防护器件分隔成两级。
在MOV和TVS之间加一个电阻，可以防止TVS先导通到损坏。在选取电阻的时候要考虑电阻的功耗，以免电阻先损坏；同时可以并联电容，吸收能量，提高抗浪涌能力。
PCB布局与接地技术
PCB设计在模块电源产品开发过程中是作为最重要的环节之一来对待，它要考虑散热设计、EMC设计、干扰设计和生产工艺设计等等。
在设计中，为减小引线电感，最好使用 “多层低感复合母排” 装置，能将回路电感降低到足够小，达到10nH级，从而减小高频逆变回路电磁干扰。
控制功率和数据信号通过隔离栅时，会产生电磁干扰（EMI）。这些辐射发射（RE）会对其他电子系统和网络的性能产生负面影响。
创新抑制技术
传统的EMI抑制方法包括使用分立式电容或嵌入式旁路电容，但这些方法会增加成本和设计复杂性。
一种创新的方法是采用集成隔离电源组件，如ADI公司的ADuM5020/ADuM5028，这些组件包含降低芯片辐射发射的措施，无需在外部额外增加复杂的措施，即可确保通过系统级辐射发射测试。
ADuM5020采用16引脚宽体SOIC封装，提供3V和5V两种电源选项，以及3kV rms额定隔离，能够跨隔离栅提供500mW功率。
为了减少辐射发射，ADuM5020/ADuM5028具有出色的线圈对称性和线圈驱动电路，有助于将通过隔离栅的CM电流传输最小化。
扩频技术也被用来降低某一特定频率的噪声浓度，并将辐射发射能量扩散到更广泛的频段。在次级端使用低价的铁氧体磁珠会进一步减少辐射发射。
07 电磁兼容性测试与标准符合性
主要EMC测试项目
电磁兼容测试包括发射测试和抗扰度测试两大类别。发射测试中包含传导和辐射；而抗扰度测试中又包含静电、脉冲群、浪涌等。
为提升用户系统稳定性，ZLG致远电子自主研发、生产的隔离电源模块，全系列隔离DC-DC电源通过完整的EMC测试，静电抗扰度高达4KV、浪涌抗扰度高达2KV。
国际标准要求
产品上市前，必须符合EMC规定。在工业、医疗、通信和消费环境中，辐射发射通常必须符合CISPR 11/EN55011、CISPR22/EN 55022或FCC Part15标准。
各个标准下，设备被进一步分类：A类用在工业应用和非住宅区的设备；B类用在住宅环境中的设备。
由于B类限制覆盖的是住宅环境，这种环境中的产品更有可能彼此非常接近，因此更加严格（比A类低10dB之多），以免引起干扰问题。
设计验证与优化
对于带隔离的电路设计，一个重要的步骤是跨隔离栅传输功率，并缓解产生的辐射发射。
据报道，50%的产品首次EMC测试都以失败告终。这可能是因为缺乏相关知识，且未能在产品设计阶段的早期应用EMC设计技术。
如果在功能设计完成之前一直忽略EMC问题，通常会带来耗费时间且代价高昂的挑战。想要最大限度地缩短设计时间和降低项目成本，在项目开始时就进行EMC设计是至关重要的。
在现代电子设备中，优化X电容和Y电容的设计不再是一个可选项目，而是满足电磁兼容标准的必要条件。有研究表明，良好的安规电容设计可以将电源产品的电磁干扰降低20-30dB，大幅提高产品通过EMC认证的成功率。
对工程师而言，掌握X电容和Y电容的正确应用，就如同为产品获得了通往市场的通行证。随着电子产品密度不断增加和电磁环境日益复杂，这些看似简单的元件将在未来电子设备设计中扮演更加关键的角色。
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