详解开关电源EMI电路工作原理，说下为啥有时接触电源输出端会有刺痛感

qrut

EMI是电磁干扰（Electromagnetic Interference）的简称，既可以是电网对设备的干扰，也可以是设备对电网的干扰。普通开关电源由于工作在开关状态，因此会产生很高的谐波干扰，如果不进行抑制就会对电网产生干扰，同样电网也存在很多干扰，如果不抑制也会对设备产生干扰，因此就有了emi电路。


下面是市电的输入端，L和N 如果市电LN之间有高频差模（大小相等方向相反）干扰 就会直接窜入电源造成干扰，反之电源也会对电网产生干扰。



差模高频信号会两个方向对母线造成干扰



下面emi的差模干扰抑制电路，可以看到在输入并联了一颗电容。



由于容量uf级别，所以对低频50hz容抗很大，电容相当于开路，50hz信号几乎不受阻碍的通过。



下面高频差模信号进入时的情况，由于输入引线和pcb铜箔等效于电感和电阻和电容的复合体，干扰频率决定了此时主要体现感抗和阻抗，容抗忽略。频率越高zr（用z复阻抗表示总阻抗）越大，对高频衰减也越大，下图就变成了一个低通滤波器，电容由于干扰频率较高呈现出较低的容抗，所以差模高频干扰被电容屏蔽后主要落到zr上大部分能量以热量的形式消耗掉。低频50hz信号则顺利通过，方向反过来看也是一样，所以是双向作用。


下面是常见x电容的实物图，具体参数意义看标注。



x电容俗称安规电容，安规等级有x1 x2 x3，x1耐压等级最高，x3最低，常用的x2电容。 安规电容虽然标称电压较低（一般几百v），实际峰值耐压很高，能达到几千v，因此安全性可靠性很高。



干扰不光有差模干扰，还有共模干扰，共模干扰是指大小相等方向相同的信号。按理说共模信号本身由于相位相同，因此在LN两端不会产生直接干扰，因为压差为0，但是共模干扰可以通过L对大地 或者N对大地形成回路，因此会产生高频辐射，辐射作用到pcb或线路的不等距不对称部位时，产生的压降就会不同，此时共模干扰就会转换成差模干扰，因此也必须进行抑制。
下图L对地，N对地 ，都有双向辐射回路。



怎么抑制共模干扰呢？下图是共模电感，实际上可以看做一个输入输出同相的变压器



当L N 输入差模信号时由于两组线圈对称同相绕制，因此上面线圈和下面线圈产生磁通大小相等方向相反，基本抵消为零（不考虑漏感的影响），此时几乎没有感性，可以认为直通。



如果输入共模信号，两个线圈瞬时电流方向相同，因此磁通叠加，此时感抗很大，对共模信号有很大的阻抗。



下面是实际电路，LN两端串联共模电感后



如果低频差模有用信号（一般50hz）则电感的感抗很小，信号几乎是直通。



如果是高频共模干扰信号，则呈现出较大的阻抗，干扰信号会在在共模电感上产生压降，大部分能量以热量的形式消耗掉。



下面常用的几种共模电感的实物图









单纯靠共模电感抑制共模干扰有时效果并不是特别理想，下图在输出端并联了两个串接的电容，俗称y电容，节点接大地和机壳，可以增强共模干扰的抑制效果。



下图是低频50hz差模信号通过时的等效电路，由于并接的电容容量很小相当开路，对低频差模信号几乎没有阻碍效果，有用信号顺利通过。



如果输入高频共模干扰信号，则容抗骤减，对地回路的干扰信号几乎是短路屏蔽，在前级共模电感的作用基础上进一步加强共模抑制的效果，使干扰信号几乎全部落在共模电感上面消耗掉能量。



这两颗y电容对高频差模干扰也有一定抑制作用，原理和x电容类似，只不过抑制频率更高。



对母线单边差模干扰也有抑制作用，抑制回路如下图。



N通道，所以这两颗电容的作用很宽泛，但是独立效果不太理想，必须配合前两种才能最佳，而且串联节点需要接大地，需要带地线的三端输入插头，两端LN输入的电源和设备不适用。



下图y电容的实物图，参数和意义看标注



y电容也分几个等级，y1-y4，y1也是级别最高的，耐压最强的，共模抑制多用y2级别。



下图y电容安规等级对照表，x1y1级别最高，x1y2会差一些。



下图把前面差模共模抑制电路组合起来就是一个实用的emi抑制电路了，好点的还可以多级级联，用两组共模电感，这样对输入输出两个方向的抑制能力对称，效果更好，就不赘述了。



下图是emi小板上的 x电容 共模电感 和y电容 特写



为啥叫x电容？因为并联在两根母线之间，看起来勉强像一个字母x，因此俗称x电容。



为啥叫Y电容？ 因为串并与母线之间，变形一下像个字母Y，因此也被俗称为Y电容，二者都可以被称为安规电容，y电容的极限耐压也是相当的高，轻易达到几千v，因此安全性也是很高。



除了以上的emi电路，几乎所有开关电源都还存在一颗跨接于高压地和低压地 之间的y电容c5，下图最右侧是开关电源变压器二次侧整流输出电路，可以看到 如果没有跨接的c5，整个二次侧和一次侧高压几乎是完全隔离的，也可以认为是悬空的，这样一来，由于开关电源一次侧pwm高频振荡的原因，干扰信号会通过变压器耦合作用和分布电容传导到二次侧输出端，此时输出端（红框）就相当于一根天线，会把pwm干扰辐射到外界，造成很大的干扰，跨接的y电容就是将二次侧负极屏蔽到一次侧高压负极（振荡参考点 零电位），这样天线作用就会被削弱，大部分干扰会通过y电容回路流回高压地，如果没有这颗y电容如果是充电头充手机就会跳屏。



为了提高效果有时正极到高压地也跨接一个y电容，这个是阳极y电容。由于输出负极接了y电容，但是正极和负极本身存在阻抗，所有辐射不会被全部屏蔽，因此正极增加一颗会提高效果。



这颗y电容实现辐射屏蔽的同时，也会引入一些副作用，这就是有人总是会说，为啥手摸或肢体碰到充电头插头金属部位会有刺痛感？针对这个问题下面会详细解释。
下图是一个简化了的开关电源高压和低压输出部分，左侧输入整流滤波，右侧变压器次级低压输出整流，可以看到高压负极和低压负极通过cy电容跨接，小人相当于一颗电阻用来模拟人体触摸充电器输出金属负极时的状态，N和大地基本是同电位，可以认为是直连。



假设负半周时，N为正 L为负，此时电流回路如下图红色标记路线，可以看到高压220v从N出发通过人体再到y电容到L形成回路，给y电容反向充电，此时人体有小电流流过。



正半周时L为正，N为负，照理说电流从L出发通过高压滤波后到y电容到人体到n形成回路正向充电，但是由于绿色路线整流桥的作用，以大地为参考点时就会发现，a点电位被d2钳位到0.7v了，因此红色通路只能实现对cy电容的放电，基本不会反向充电（反向0.7v），因此负半周流经人体的电流来源于cy电容的放电。半个周期充放电因此峰峰值不会超过311v（市电峰峰值大约622v，峰值311v ，有效值220v），最大峰值不超过155v，由于半个周期充放电波形会畸变，负极到大地的实际波形是畸变的正弦波，有效值较低100v以内，实际上由于cy的容量非常小（pf级），人体轻轻触摸输出端时等效阻抗也很大，所以会产生分压，分压后的电压大概也就60-70v（有效值，不同充电头会有所差别），刚刚能达到有刺痛感的地步，只要稍用力捏住输出端，则等效电阻大幅降低，此时人体分压变小，因此会变的无感。这种小电流的漏电对人身安全是没有影响的，不必过于在意和担心。由于此y电容跨接在高压地和低压地之间，因此对安规级别要求也最高，通常会采用y1等级的y电容，当然山寨会无视这些。



有人说输入插头反插就会避免挨电，实际上反插也是没用的，下面是反插时的等效电路。



L为负，N为正时，cy反向充电



L为正 N为负时同样正向放电到0.7v，和正插时没啥区别，由于整流桥的缘故，无论正插反插都不是隔离状态，只不过换了换二极管导通路径而已。



此贴花费大量时间，如果对你有用，请多支持。

完

bennanhaier

挺详细的！手工画图，赞

壹筒江湖

好东西，可惜本人学识不够看不懂啊。

邪恶海盗

表示完全是在看天书...

8139

球球图文并茂的讲解，真是花了很多功夫，像我这种搬砖专业的，必须收藏学习

                               
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11651189

基本上看不懂，但是经历过那种刺痛。感谢楼主手绘分享。

qrut

bennanhaier 发表于 2023-7-22 16:07
挺详细的！手工画图，赞

谢谢支持～

qrut

8139 发表于 2023-7-22 16:33
球球图文并茂的讲解，真是花了很多功夫，像我这种搬砖专业的，必须收藏学习 ...

老兄来了谢谢支持，这贴n个小时确实很累

qrut

11651189 发表于 2023-7-22 16:39
基本上看不懂，但是经历过那种刺痛。感谢楼主手绘分享。

谢谢支持～

石墨

楼主科普的这么详细
   
还有人看不懂。。。。

fancy99

图文并茂的科普文，斑竹可以射精了~

heju

楼主用心了，我选开关电源，看它好不好，首先就是看它的EMI电路完不完整，只有简单的EMI电路的开关电源，直接pass掉。

夕雨

非常好的科普贴！有的机壳用手滑过有粘滞感，估计跟这有关

qrut

石墨 发表于 2023-7-22 17:09
楼主科普的这么详细
   
还有人看不懂。。。。

唉 众口难调，帖子浅显了吧会有人说没内容，深度稍大一点儿又有人说看不懂，南斯拉夫了 不过这个帖子已经以简代繁了，无任何计算方面的内容，相信大部分人还是可以看懂的～

qrut

fancy99 发表于 2023-7-22 17:16
图文并茂的科普文，斑竹可以射精了~

谢谢支持～

qrut

heju 发表于 2023-7-22 17:21
楼主用心了，我选开关电源，看它好不好，首先就是看它的EMI电路完不完整，只有简单的EMI电路的开关电源，直 ...

谢谢支持～

comicfansh

建议再加几张实物图。图文并茂

scxj

点赞！点赞！
论述的知识点准确又浅显。

kkdkj

大师就是大师，讲这么透

qrut

夕雨 发表于 2023-7-22 17:35
非常好的科普贴！有的机壳用手滑过有粘滞感，估计跟这有关

谢谢支持，外壳粘滞现象就是y电容造成的～