電磁抗干擾電容應用：

　　一、關于傳導騷擾測試規范

　　學過信號與線性系統分析的大家都會知道，每一個波形都可以通過傅里葉變換分解為對應的正弦波分量。當設備中的“電流/電壓”變化通過電源線、信號線傳播到其他線路時，這個“電流/電壓”的變化被稱為“傳導干擾”。傳導干擾在描述中，應該突出的是“通過線路傳播”，這決定了傳導干擾的定義頻帶在30MHz以下。這個頻帶內，電磁波的波長較長（一般認為比設備和導線的長度更長），電磁波基本沿導線進行傳播。

　　而由于不同的電流、電壓波形都有各個頻帶的諧波分量，所以每個頻率段都有對應的電磁騷擾。舉個典型的例子，固定頻率PWM型開關電源工作在開關狀態，連續模式下電源線上的電流波是梯形波；由于梯形波可以分解為無限的整數倍的正弦波以某種關系疊加，因此其對輸入線的傳導騷擾包含了開關頻率各整數倍的頻率點。

　　對于傳導騷擾，《GB9254 信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》中有講測試分等級，ITE將EUT的測試等級分為A級與B級，并特別標明了A級產品可能造成無線電干擾。

　　就電源產品而言，處于電源產品本身性能參數的考慮，電源電路產品本身可能只需要過A級試驗，而將通過B等級傳導試驗所需要增加的電路稱為外圍電路。規范中有標定設備端口通過A級與B級測試，準峰值及平均值的電壓限值。

　　由于頻率段涉及范圍較大，在此引申出另外兩個概念：差模傳導噪聲與共模傳導噪聲。

　　差模傳導噪音是電子設備內部噪音電壓產生的與信號電流或電源電流相同路徑的噪音電流，頻率較低。

　　共模傳導噪音是在設備內噪音電壓的驅動下，經過大地與設備之間的寄生電容，在大地與電纜之間流動的噪音電流產生的，頻率較高。

　　傳導測試的頻率范圍為150kHz~30MHz，雖然波長還是很長，但是可以認為是范圍相當大的一個頻率段。而一般習慣上認為，2MHz以下的傳導噪聲超標以差模噪聲超標為主，10MHz以上的傳導噪聲超標以共模噪聲超標為主，2~10MHz的傳導噪聲為差模噪聲跟共模噪聲的混合噪聲（這個頻率段的分法不統一，并且設備不一樣對應的分析方式也不同）。

　　二、X電容與Y電容

　　安規電容是指失效后，不會導致電擊，不危及人身安全的電容器，通常只用于抗干擾電路中的濾波作用。

　　交流輸入線一般由三個端子，火線L（Live），零線N（Neutral），地線PE/G（ProtecTIng Earthing/Ground）。X電容與Y電容的定義，并不是因為材質的不一樣（一般都是金屬薄膜電容），而是按接入方式——X電容接在L-N線間，形似“X”；Y電容接在L-PE或者N-PE間，形似“Y”。

　　1、安規電容中的X與Y

　　既然分作了X電容跟Y電容，二者還是有一定區別的。除了接法的不同，分級也有區別。下面比較式地講一下：

　　X電容：

　　X電容跨接在L-N線間，一般用于濾波器中作抑制差模干擾用。因為用途的原因，X電容有以下幾個特點：

　　1）額定電壓應當與輸入電網電壓相當（規格上標識的耐壓AC250V或AC275V字樣），保證不會被加在兩端的電壓擊穿。

　　2）X電容一般容量會比Y電容大些，典型容值是零點幾μF~1μF。

　　3）對于不同要求的設備，X電容的脈沖耐壓規格有所不同，X電容一般分為X1/X2/X3種等級，即X1電容使用最多：

　　4）X電容一般使用金屬聚脂薄膜類電容。這種類型的電容，體積較大，但其內阻相應較小，紋波電流大，容易在瞬間充放電。普通電容動態內阻較高，紋波電流較小，耐壓也難達到規格。

　　*5）根據實際需要，X電容的容值允許比Y電容的容值大，但此時必須在X電容的兩端并聯一個安全電阻，用于防止電源線拔插時，由于該電容的充放電過程而致電源線插頭長時間帶電。安全標準規定，當正在工作之中的機器電源線被拔掉時，在兩秒鐘內，電源線插頭兩端帶電的電壓（或對地電位）必須小于原來額定工作電壓的30%。

　　Y電容：

　　Y電容通常被用于電源進線或橋式整流輸出（初級地）對次級地、機架、屏蔽或大地之間，也有用于電源進線整流輸出正對次級輸出正之間，用于對付共模干擾電壓。Y電容漏電或機殼帶電會直接導致操作人員電擊，介于其使用場合，Y電容有以下幾個特點：

　　1）容值不能過大，一般不超過4700pF（GJB151規定Y電容的容量應不大于0.1uF），以抑制漏電流的大小。

　　2）耐壓高，保證在使用場合有充足的安全余量，避免出現擊穿短路現象。

　　3）同樣，Y電容也分等級，同樣按照耐壓值分為Y1/Y2/Y4（在最新版標準“IEC 60384-14：2013”中取消了Y3類電容器），并對額定電壓范圍做了新的規定。

　　網上其實現在還是有很多關于Y電容的定義跟分類按照舊版本的來。新舊版本基本一致，只是為了適應現在電氣設備更高的工作要求，對Y電容的額定電壓范圍作了修動。

　　4）額定電壓應當接入兩端壓差相當（規格上標識的耐壓AC300V字樣），保證不會被加在兩端的電壓擊穿。

　　5）出于安全方面考慮，230VAC開關電源中，單個Y1電容使用范圍為1000~4700pF，一般使用1000pF或者2200pF（兩只Y2串聯達到同等級耐壓要求時容量翻倍），保證漏電流盡可能小。

　　2、關于電容

　　上面一小節講了X電容與Y電容的特點，兩者相類似但是又有不同的地方。相比較而言Y電容對安全性能的要求更嚴苛，需要更小的漏電流，因此容量會較小；此外Y電容有比X電容更高規格的峰值脈沖電壓要求，同時額定電壓也更高。有些情況下，當額定電壓規格一致，峰值脈沖電壓規格相符合時，Y電容可作為X電容使用。

　　作為電容器，理想電容器與實際電容器之間總會有一定的差別。原因是電容器及其走線存在寄生電感（ESL）和等效串聯電阻（ESR）。這種LCR串聯網絡的阻抗特性并不是理想電容器的“隨頻率線遞減”，而是存在諧振頻率。

　　

　　在實際電容器的頻率曲線上，諧振頻率點f0時得到阻抗的最小值，稱此頻率點為自諧振頻率，該點的阻抗值為等效串聯阻抗ESR的大小。頻率低于f0，器件顯電容特性；頻率高于f0，器件顯電感特性。

　　那么，X電容跟Y電容的阻抗特性如何呢？

　　X電容跟Y電容的諧振頻率點都很高。而由于其使用的差異——X電容由于L-N線間，抑制差模噪聲居多，Y電容用于L-PE/N-PE間，抑制共模噪聲居多。而共模噪聲頻率高于差模噪聲，所以理論上為了在共模噪聲頻率有更好的濾波特性，符合實際使用的Y電容自諧振點應該比X電容更高。Y2電容在10~200MHz范圍內，在短引線的情況下都有較好的濾波特性。

　　X電容一般自諧振頻率在10MHz以內，而Y電容一般均可道到40MHz或更高。此外，引線的長度也對電容有很大影響。下面有X電容跟Y電容的阻抗特性圖，數據來自《開關電源的電磁兼容性設計與測試-錢振宇》。

　　3、應用電路（關于開關電源傳導騷擾的濾除）

　　由于電源回路工作在開關狀態，開關電源的電磁騷擾一直是比較嚴重的。以反激拓撲為例，講一下開關電源的傳導騷擾，同時分析X電容跟Y電容在開關電源系統中起到的作用。

　　產生：

　　開關電源的電磁騷擾由很多因素組成，幾種主要原因有：

　　1）變壓器一次側，由于開關管工作在開關狀態，C1與開關管S、變壓器原邊Np構成高頻電流環路，環路面積夠大就會產生空間輻射。在這里C1的濾波顯得尤其重要，C1濾波不足，高頻電流就會傳導到輸入線。

　　2）輸出側也是工作在高頻開關狀態，當C2濾波不足，高頻電流會以差模方式傳輸到Vo。Ns、D、C2構成的高頻電流環路也會對空間形成輻射。

　　3）開關管集電極與散熱片之間的分布電容Cd會使得高頻開關電流直接通過Cd耦合到保護地PE上，從而產生共模傳導、輻射干擾。實際上電路的LN線無法完全對稱，所以共模干擾還會轉化為差模干擾。

　　4）變壓器原副邊的分布電容Ci，也會耦合原邊的高頻電壓到副邊，加劇輸出端的噪聲。

　　5）整流二極管（一般使用大功率肖特基二極管）在正向導通后PN結積聚電荷，在反向電壓加在兩端的瞬間，電荷要消失，就會出現瞬態浪涌電流。這部分能量也會通過寄生參數耦合到原邊。

　　6）在系統開關工作的瞬間，感性負載變壓器會瞬間在開關管兩端感應出較高尖峰電壓，頻率由變壓器漏感、分布電容，開關管的寄生電容決定。這個瞬變電壓也會產生電磁騷擾。

　　分析：

　　1）由于系統工作在開關狀態，系統輸入端與輸出端都有明顯的高頻開關電流。要保證輸入濾波電容C1、輸出濾波電容C2容量足夠，保證對高頻變化電壓有較好的濾波作用。輸出濾波電路按需求適當改為L型或π型濾波器。

　　2）由于變壓器存在分布電容Ci，會耦合原邊高頻電壓到副邊，加大輸出噪聲；也會耦合副邊高頻變化產生的噪聲，耦合的電壓以共模騷擾的形式在電路中存在。在系統的輸入正到輸出正，輸入地到輸出地之間可以用Y電容連接，Y電容將為共模電流提供回路，從而抑制對輸入或輸出的共模騷擾。

　　3）對于差模傳導干擾，多采用差模電感Ld與X電容構成雙π型濾波器的方法，這種方法對于差模噪聲的濾除有明顯效果；對于共模傳導干擾，常采用共模電感作為共模濾波器，使得L-N線上的共模信號相互抵消（由于共模電感的不對稱性，也可以同時與X電容結合做差模濾波用）。

　　4）CY1/CY2為開關電源共模傳導騷擾提供了第一級回路，以抑制共模傳導噪聲。在L-N線接入端增加一級濾波Y電容可以進一步衰減共模電流。

　　什么是瓷片電容，它有何意義？

　　電容器變薄但靜電容量卻反而增加的理由

　　根據數學表達式C=ε&TImes;S/d，增大電容器靜電容量的方法有如下3種：

　　①增大ε（介電常數）

　　②增大S （電極面積）

　　③減小d （電介質厚度）

　　關于此處的①②，很容易形象直觀地進行想象，但是關于③卻相反，總覺得厚的電介質能夠積聚很多的電荷，

　　但事實并非如此。這是因為電荷是積聚在兩個電極上的，而不是積聚在電介質中。

　　首先，我將在使大家了解上述要點的基礎上對如何推導出計算公式進行說明。以下，我將羅列枯燥無味的數學公式，敬請諒解。

　　推導C=ε&TImes;S/d

　　圖1 平板電容器

　　如圖1所示，在電極之間的空間兩端加上電壓的情況下，所產生的電場強度為E［V/m］，電壓為V［V］，電極間距離為d［m］，并得出式（1）。

　　E=V/d ［V/m］

　　雖然該電場是因來自電源的電荷而產生的，但是如果通過電力線來描述該電場，根據高斯定理，Q/ε［根］的電力線從+Q［C］的電荷處出發，那么在圖1中，Q/ε［根］的電力線從電極A出發，然后到達電極B。

　　因為電力線密度與電場強度是相同的，所以如果將電極的面積設為S［m2］，那么數學表達式（2）的關系成立。

　　V/d=（Q/ε）/S

　　如果對從電源進入的電荷Q進行整理，那么得出數學表達式（3）。

　　Q=ε&TImes;SV/d ［C］

　　通過數學表達式（3）可以看出，因為電荷Q與外加電壓是成正比的，所以電容器的性能通過單位外加電壓所積聚的電荷量進行體現比較好，如果將靜電容量設為C［F］，那么以下數學表達式成立。

　　C=Q/V ［C/V=F］

　　因為從這個數學表達式可以看出靜電容量C和電荷Q是成正比的，所以對于增大靜電容量來說，圖1的電極A和B所積聚的電荷Q越大越好。

　　那么，該如何增大電荷Q呢？通過數學表達式（3），可以看出電荷Q與電極間距離d是成反比的。也就是說，電極間距離越小，電荷Q就越大。

　　簡單對以上的內容進行歸納，即電極間距離d越小，電極A和B所積聚的電荷Q就越大，因為增大了積聚的電荷Q，所以靜電容量C也就變大。這樣理解的話，我想大家是否就有稍許的直觀感受了。

　　通過數學表達式（3）和（4），可以推導出類似的表達式（5）。我們可以通過數學表達式得出結論：電極間距離d越小，靜電容量C就越大。

　　那么即可得出下面的結論。

　　C=ε×S/d ［F］