Выбор конденсатора X для источника питания SMPS

ВАЖНО: Если вы используете TVS или MOV, НЕОБХОДИМО ИСПОЛЬЗОВАТЬ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО С ГОРЯЧЕЙ ЛИНИЕЙ . Это необязательно. MOV, как правило, выходят из строя из-за короткого замыкания, как и диоды TVS. В этом случае вы можете использовать предохранитель или разжечь огонь. Предохранители - лучший вариант.

1. Что вообще делают эти конденсаторы X и Y?

Конденсаторы X, наряду со своими двоюродными братьями Y-конденсаторами, сгруппированы вместе и известны просто как «защитные конденсаторы». В вашем приложении, которое, как я предполагаю, относится к классу II, у вас нет заземления (и, следовательно, имеется достаточный изоляционный барьер, чтобы его можно было отнести к классу II).

Назначение защитных конденсаторов X и Y более или менее одинаково. Они оба предназначены для уменьшения количества электромагнитных помех, которые попадают в сеть из-за того, что делает источник питания. Как вы знаете, конденсаторы становятся менее мешающими по мере увеличения частоты, поэтому эти конденсаторы эффективно сокращают высокочастотный шум.

2. Что важного в шуме?

Вы всегда видите их присутствие на входном каскаде импульсного источника питания, но они обычно отсутствуют на более старых трансформаторных источниках питания 60/50 Гц. Все коммутационные гармоники от мостового выпрямителя рассеиваются в виде крошечных вихревых токов и гистерезисных потерь во всем этом железе и никогда не возвращаются обратно в первичную обмотку.

Импульсные источники питания обычно используют прямоугольные волны (или пытаются приблизиться к прямоугольным волнам, насколько это возможно), и гармоническое содержание только этого не является тривиальным, и большая его часть может проходить только через емкостную связь обмоток трансформатора SMPS. , тем не менее ферритовый сердечник. Хуже того, диоды подключены непосредственно к сети, и нет трансформатора, который потенциально мог бы ослабить диодные гармоники.

3. Перекрестие сети X — не единственный вариант.

Я собираюсь предположить, что у вас есть полностью изолированный (полностью плавающий) выход 5 В, что характерно для маломощного источника питания класса II.

Проблема в том, что ничто никогда не бывает полностью изолированным. Есть паразитная емкость от всего ко всему и отовсюду ко всему. Между любой точкой вашего тела и землей в этот самый момент, вероятно, существует потенциал переменного тока более вольта (при условии, что вы плаваете и не заземлены через что-то). Вот почему вы слышите гудение на аудиооборудовании, если касаетесь входного разъема пальцем.

Что ж, в случае с вашим блоком питания класса II ситуация несколько хуже. Вы знаете этот маленький ферритовый трансформатор? С двумя токопроводящими обмотками рядом друг с другом? Да, они соединятся емкостно, но импеданс будет достаточно высоким даже для высокочастотного шума. Это превратит все на изолированной вторичной стороне в непреднамеренный радиатор. Это может быть проблемой, а может и не быть, но одним из решений является подключение конденсатора Y между первичной землей (нейтральной линией в вашем случае) и выходной землей. Если по какой-то причине полярность вилки может измениться, вы можете подключить конденсаторы 2 Y к выходной земле, почти как если бы это была ваша земля.

Идея состоит в том, чтобы создать путь с гораздо более низким импедансом для высокочастотного шума, шунтируя его обратно на первичную сторону, а не излучая.

ОДНАКО , здесь есть очень важное соображение безопасности: вы создали путь для утечки тока через изолирующий барьер, и потенциал будет потенциально опасным. Вы должны быть осторожны и убедиться, что конденсаторы Y не настолько велики, чтобы пропускать опасные уровни тока утечки, потому что этот поток может проходить через человека / собаку / котенка / что-то еще.

4. Да ладно, как мне выбрать значение этого конденсатора X?!

На самом деле все сводится к тому, насколько шумным является ваш блок питания, какой уровень шума от сети вы хотите, чтобы блок выносил, и насколько хороший коэффициент мощности вы хотите. Тем не менее, коэффициент мощности почти всегда будет иметь меньший приоритет, поскольку большинство стран требуют, чтобы вы прежде всего соответствовали стандартам EMI.

Конденсатор X большего размера выдержит более высокие импульсные переходные процессы, окажет более сильное влияние на дифференциальный шум, поскольку он имеет более низкий импеданс в более широком диапазоне частот, и, как правило, просто улучшит ситуацию в области дифференциальных электромагнитных помех. Недостатком является то, что, находясь поперек линии, он будет постоянно потреблять небольшое количество полной мощности. Например, конденсатор X 0,47 мкФ на линии с входным напряжением 240 В переменного тока на частоте 60 Гц (я знаю, что 50 Гц будет более распространенным, но давайте рассмотрим худший случай) будет постоянно потреблять примерно 10 Вт кажущейся мощности. Если ваш SMPS представляет собой блок питания ATX мощностью 500 Вт, то ваш коэффициент мощности равен 0,98. Большой! Однако, если это блок питания ноутбука мощностью 50 Вт, ваш коэффициент мощности теперь равен 0,8. Не так хорошо, как хотелось бы. Вы, вероятно, захотите выбрать что-то немного меньше. По мере дальнейшего снижения уровня мощности становится менее реалистичным достижение приличного коэффициента мощности, но вам также не нужно особо заботиться об этом. Вы собираете блок питания на 7,5 Вт. Допустим, он потребляет 10 Вт реальной мощности при полной нагрузке. Использование конденсатора 0,1 мкФ приведет к кажущейся потребляемой мощности 2,2 Вт при напряжении 240 В, 60 Гц. Но это нормально, это всего лишь 2,2 Вт.

Самый маленький конденсатор типа X, который вы действительно видите, составляет 10 нФ, и они могут достигать нескольких мкФ. Я думаю, что 0,1 мкФ — разумный выбор для вашего приложения. Вы будете потреблять некоторую кажущуюся мощность, но в Северной Америке она составляет порядка 400 мВт. 0,1 мкФ, вероятно, немного больше, чем вам действительно нужно, но с шумом обычно лучше иметь слишком сильное шумоподавление, чем недостаточное. На самом деле, это всегда лучше.

К сожалению, здесь просто нет жесткого и быстрого правила. Вы не можете точно рассчитать значение, потому что минимальное значение основано на фактическом кондуктивном EMI и на том, какие уровни приемлемы для вашего приложения. С другой стороны, значение обычно не так критично. Обычно я определяю его на основе разумного коэффициента мощности (но не жадничайте — конечно, коэффициент мощности 0,99 после ввода звучит довольно мило, но не имеет значения, если ваш блок не соответствует требованиям FCC и т. д.) и, чтобы цитирую Сэмюэля Л. Джексона (в «Парке Юрского периода»), я «держусь за свою задницу» и надеюсь, что этого достаточно, чтобы соответствовать требованиям EMI. До сих пор это не было проблемой, если вы помните об электромагнитных помехах при разработке остальной части источника питания.

Может быть, мне просто повезло, но пока мне это помогало.

Я бы добавил, что второй конденсатор X после дросселя является правильным размещением и еще больше уменьшит дифференциальный шум и немного поможет синфазному дросселю с синфазным шумом. Но это определенно необязательно.

5. Вы не спрашивали, но давайте поговорим о MOV и TVS-диодах.

Вы МОЖЕТЕ использовать здесь двунаправленный TVS-диод, но помните, что ваше напряжение пробоя должно быть выше, чем потенциальные устойчивые условия перенапряжения в сети, и здесь имеет значение пиковое напряжение, поэтому 1,41 * 250 ВА = 350 В, плюс некоторый запас прочности. Так давайте назовем это 380V. Дело в том, что большинство реальных скачков напряжения, которые вы можете увидеть на линии переменного тока, будут накапливать несколько джоулей, а джоули заставят диоды TVS лопнуть, как когтеточку из пузырчатой ​​пленки в комнате, полной злых кошек. Конечно, вы можете получить довольно мощные, но они будут довольно дорогими ($2+) при нужном вам напряжении. И даже тогда их фиксирующее напряжение в основном такое же, как у MOV.

MOV предпочтительнее там, где вы использовали TVS. MOV работают за наносекунды, и любой всплеск, достаточно мощный, чтобы разница между 10 наносекундами и 30 пикосекундами действительно имела значение, вероятно, слишком велика для TVS-диода в любом случае. Плюс за 50 центов вы можете получить MOV, рассчитанный на линейное напряжение 250 В переменного тока, который может поглощать почти 200 Дж - это больше энергии, чем удар бейсбольного мяча, движущегося со скоростью 100 миль в час. Повторюсь, за 50 центов.

Лучше использовать TVS после диодного моста, но до фактического понижающего преобразования. Позвольте более мощным вещам впитать тяжелые вещества, и тогда любые крошечные быстрые всплески, которые пройдут через них, могут быть безопасно обработаны диодом TVS.