电源的安规设计

电源的安规设计

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1、安规的含义

以法规的形式实现电在应用中的安全；

是安全规范（法律法规）和安全标准的简称。

2、执行安规的目的

降低电气产品对人身和财产的各种伤害，

包括电击、起火、过热、机械伤害等，

降低公司运行的风险。

3、电子产品设备可能存在的危险

1）电击；

2）能量危险（如电池的正负极短路）；

3）着火；

4）与热有关的危险；

5）机械危险；

6）化学危险；

7）辐射危险。

4、安全的基本原则

设备在正常使用及单一故障条件下，

防止引起人身伤害和着火等危险；

制造商应提供足够的资料，

说明一切必须具备的条件，

以保证用户在按制造商的规定使用设备时不会引起危险；

涉及安全的元器件，

应经公认的试验机构认证，

或作为设备的一个组成部分，承受有关试验；

避免设备在操作、安装、维修、运输或储存时引起维修，

则制造商应提供必要的说明。

与安全有关的说明书和设备标记应使用客户识别的文字和标识。

5、安全防护的基本思想

危险位置与人之间提供双重防护l防护的途径为采用合理的绝缘措施：

1、工作(功能)绝缘（F）

2、基本绝缘 （B）

3、附加绝缘 （S）

4、双重绝缘 （D）

5、加强绝缘 （R）

6、保护接地 （PE）

去除对人身安全的威胁

1、触电

2、起火

3、烫伤

4、辐射

5、机械伤害

6、电击对人的伤害

人类对电的感应

1、皮肤阻抗：人的皮肤阻抗根据皮肤的湿度改变，干的时候达到3兆欧姆，潮湿时大约500欧姆，皮肤的阻抗也会随周围环境温度、疲劳情况空气湿度、惊吓、焦虑及其它因素改变。

2、致命电流 ：99%的健康男性的心脏能通过的极限电流的时间为：（即致命电流与时间）。

7、危险电压

1、IEC 60950-1 办公室环境60Vdc,42.4Vpeak,30Vac

2、IEC 60950-22户外环境30Vdc,21.2Vpeak,15Vac

8、人对温度的刺激表现

1、肌肉组织在50℃会遭到破坏；神经组织会在更低的温度下被破坏；

脑组织在42℃会被破坏；

2、皮肤温度达到44℃，6小时后，身体的调温功能就会丧失同时细胞被破坏。

温度在44℃~51℃之间，每升高1℃，细胞的破坏速度加快1倍，当达到80℃时只需要1秒，细胞就会被彻底破坏。

3、电气产品的常见温度：PN结=150℃，PCB材料130℃；

4、电线电缆过载时（3倍额定电流），金属表面温度为400℃左右；

5、0.5A电流可以维持电弧，温度2000℃~3000℃，维持电压20V；

9、根据设备所处的环境，确定其污染等级

污染等级1——密封环境或类似；

污染等级2——办公环境或类似；

污染等级3——工厂环境或类似；

10、安全距离的确定

安全距离包括

电气间隙（空间距离），爬电距离（沿面距离）和绝缘穿透距离

1、电气间隙（cl-clearance）：两相邻导体或一个导体与相邻电机壳表面的沿空气测量的最短距离。

2、爬电距离（cr-creepagedistance）：两相邻导体或一个导体与相邻电机壳表面的沿绝绝缘表面测量的最短距离。

电气间隙的决定：

根据测量的工作电压（峰值工作）及绝缘等级，即可决定距离

一般来说， cr≥cl，布线时须同时满足这两者的要求（即要考虑表面的距离，还要考虑空间的距离），
**开槽（槽宽应大于1mm）只能增加表面距离即爬电距离而不能增加电气间隙，**所以当电气间隙不够时，开槽是不能解决这个问题的，开槽时要注意槽的位置、长短是否合适，以满足爬电距离的要求。

电气间隙与海拔和大气压的关系：
电气间隙海拔校正系数

爬电距离：主要由有效值或直流工作电压确定；

1、零部件之间没有开槽的情况：根据工作电压、污染等级、过电压等级、

  材料类别、绝缘类型进行查表；即为相应的电气间隙和爬电距离；     

2、零部件之间有开槽的情况：开槽对电气间隙没有影响，仅影响爬电距离；

电气间隙的确定：

根据测量的工作电压及绝缘等级，即可决定距离

通常：
一次侧交流部分：保险丝前 L—N≥2.5mm，L.N PE（大地）≥2.5mm，
保险丝装置之后可不做要求，但尽可能保持一定距离以避免发生短路损坏电源。

一次侧交流对直流部分≥2.0mm

一次侧直流地对大地≥2.5mm （一次侧浮接地对大地）

一次侧部分对二次侧部分≥4.0mm，跨接于一二次侧之间之元器件

二次侧部分之电隙间隙≥0.5mm 即可

二次侧地对大地≥1.0mm 即可

附注：决定是否符合要求前，内部零件应先施于 10N 力，外壳施以 30N 力，以减少其距离，
使确认为最糟情况下，空间距离仍符合规定。

爬电距离的确定：

通常：

（1）、一次侧交流部分：保险丝前 L—N≥2.5mm，L.N 大地≥2.5mm，
保险丝之后可不做要求，但尽量保持一定距离以避免短路损坏电源。

（2）、一次侧交流对直流部分≥2.0mm

（3）、一次侧直流地对地≥4.0mm 如一次侧地对大地

（4）、一次侧对二次侧≥6.4mm，如光耦、Y 电容等元器零件脚间距≤6.4mm 要开槽。

（5）、二次侧部分之间≥0.5mm 即可

（6）、二次侧地对大地≥2.0mm 以上

（7）、变压器两级间≥8.0mm 以上

在元件及PCB板上的隔离距离如下：（下列数值未包括裕量）
a、对于AC—DC电源（以不含有PFC电路及输入额定电压范围为100-240V～为例）
电气间隙 爬电距离
L线-N线（保险管之前） 2.0mm 2.5mm
输入-地（整流桥前） 2.0mm 2.5mm
输入-地（整流桥后） 2.2mm 3.2mm
输入-输出（变压器） 4.4mm 6.4mm
输入-输出（除变压器外） 4.4mm 5.5mm
输入-磁芯、输出-磁芯 2.0mm 2.5mm

b、对于AC—DC电源（以含有PFC电路及输入额定电压范围为100-240V～为例）
电气间隙 爬电距离
L线-N线（保险管之前） 2.0mm 2.5mm
输入-地（整流桥前） 2.0mm 2.5mm
输入-地（整流桥后） 2.2mm 3.2mm
输入-输出（变压器） 5.2mm 9.0mm
输入-输出（除变压器外） 4.4mm 6.4mm
输入-磁芯、输出-磁芯 2.2mm 3.2mm

c、对于DC—DC电源（以输入额定电压范围为36-76V 为例）
电气间隙 爬电距离
（DC+）-（DC-）（保险管之前） 0.7mm 1.4mm
输入-地（保险管之前） 0.7mm 1.4mm
输入-地（保险管之后） 0.9mm 1.4mm
输入-输出（考虑为基本绝缘） 0.9mm 1.4mm
输入-输出（考虑为加强绝缘） 1.8mm 2.8mm
输入-磁芯、输出-磁芯 0.7mm 1.4mm

更准确的做法，是根据安规标注对：工作电压、污染等级、过电压等级、材料类别、绝缘类型进行查表；

然后根据海拔校正因子对电气间隙和爬电距离进行计算；

11、安规器件的要求——X、Y电容

X、Y电容必须满足使用的电压要求；

X、Y电容必须满足温度要求

用于AC/DC一次侧的X、Y电容必须是安规电容

1、安规电容定义

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。

在交流电源输入端，一般需要增加3个安全电容来抑制EMI传导干扰。

2、分类

安规电容分为x 型和y 型。交流电源输入分为3 个端子：火线L/零线N/地线G，（L=Line，N=Neutral， G=Ground）。跨于“L-N”之间，即“火线-零线”之间的是X 电容；跨于“L-G/N-G”之间，即“火线-地线 或 零线-地线”之间的是Y 电容。火线与零线之间接个电容就像是“X”，而火线与地线之间接个电容像个“Y”，这些都不是按什么材质来分的。

X电容：　由于这个电容连接的位置也比较关键，同样需要符合相关安全标准。X电容同样也属于安全电容之一。根据实际需要，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，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（或对地电位）必须小于原来额定工作电压的30%。

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，使用的时候不要随意使用标称耐压AC250V或者DC400V之类的的普通电容来代用。　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。

X电容分为X1, X2, X3，主要差别在于:

1、X1耐高压大于2.5 kV, 小于等于4 kV,

目前这种电容需求不是太多，预计未来也会成为需求趋势。

2. X2耐高压小于等于2.5 kV,

这种X2电容目前的在国际应用中出现不同的认证标准，但是都是符合国内外认可的，请放心使用，不能因错误的引导指示其它的安全证书不能用的原因。这个原因的造成因素主要是是：

因为某些部分国家的交流输出和输入不同，

比如：日本的110VAC,中国的220VAC等等。

现行业中出现标称电压的有：250VAC/275VAC/280VAC/300VAC/305VAC/310VAC/315VAC/330VAC，

还有法拉的440VAC等，

这是应不同需要规定的行业国际标准；

稳态湿热的执行标准有21天的和56天的，都符合国际标准；

阻燃等级有C级和B级，也都符合国际的测试等级标准；

电容的温度标准有100度和110度，同样符合国际执行测试的温度标准。

3. X3耐高压小于等于1.2 kV

目前各行业中用X3的安规电容比较少，一般都选用X2的标准。

Y电容：

这两个Y电容连接的位置比较关键，必须需要符合相关安全标准， 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。

它们都属于安全电容，从而要求电容值不能偏大，而耐压必须较高。

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电容的电容量必须受到限制，

从而达到控制在额定频率及额定电压作用下，

流过它的漏电流的大小和对系统EMC性能影响的目的。

GJB151规定Y电容的容量应不大于0.1uF。

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，

Y电容的耐压性能对保护人身安全具有重要意义。

特别指出：

作为安全电容的Y电容，要求必须取得安全检测机构的认证。

Y电容外观多为橙色或蓝色，

一般都标有安全认证标志（如UL、CSA等标识）和耐压AC250V或AC275V字样。

然而，其真正的直流耐压高达5000V以上。

必须强调，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。

3、安规电容为什么可以实现快速放电？

允许瞬间充放电的电流也很大,而其内阻相应较小。X电容采用塑封常用外方形和内部高压OPP(金属化聚丙烯材料卷绕加工而成）。因为内阻小、所以，OPP材质不但有更好的电气性能，而且与电源的输入端并联可以有效的减小高频脉冲对电源的影响。

12、安规电容

1、安规电容的定义

   安规电容器是行业对抑制电源电磁干扰用固定电容器的俗称，因为该类电容符合安全规范、且通过安全规范测试认证，同时其本体印刷有多个国家的安全认证LOGO标志，故而称为安规电容器。此类电容在实际应用中的“安规”表现在：即使电容器失效后，也不会导致 电击，不危及人身安全；此外，它采用阻燃材料制造，顶多会爆炸（只是炸裂，没有火产生，只产生气体），然后就是短路，不会导致火灾发生。 

图1

   安全规范（简称“安规”）安全规范对产品的装置与电子组件有明确的陈述及指导，以避免由于设计不良或使用不当而导致电击、能量（打火/拉弧/爆炸）、火灾、辐射、机械与热/高温危险、化学危险等事故和灾害，要求生产厂商尽可能给终端使用者提供具有安全、高品质的产品，保护使用者与操作者生命、财产安全。

2、作用&分类

   安规电容通常只用于抗干扰电路中的滤波作用。它们用在电源滤波器里，起到电源滤波作用，分别对共模，差模干扰起滤波作用。例如：当在电源跨线电路中使用电容器来消除噪音时，不仅仅只有正常电压，还必须考虑到异常的脉冲电压（如闪电）的产生，这可能会导致电容器冒烟或者起火。所以，跨线电容器必须使用安规电容。通常，出于安全考虑和EMC考虑，一般在电源入口建议加上安规电容。

   交流安规电容在电路的位置及作用：﹙1﹚Across-the-line接线间；﹙2﹚Antenna-coupling天线耦合；﹙3﹚Line-bypass  旁路。 

  根据IEC60384-14，电容器分为X电容和Y电容，如（图2）所示：X电容是指跨于L-N之间的电容；Y电容是指跨于L-G/N-G之间的电容。

图2

  注：（L=LINE    N=NEUTRAL     G=GROUND）     

  即：火线-零线间的是X电容，火线或零线与地线间的是Y电容。

  备注说明：一般作安规测试时，元件需同时通过X电容和Y电容的测试标准。例  如：X1/X2代表元件同时符合X电容和Y电容的测试标准。

2.1 X电容

 根据安全等级，X电容可以分为3类：

X容一般都标有安全认证标志和耐压AC250V或AC275V字样，但从上表中可以看到，其真正的直流耐压高达至少2500V（X2）以上。所以使用的时候不要随意使用标称耐压AC250V或者DC400V之类的的普通电容来代用。

   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。普通电容纹波电流的指标都很低，动态内阻较高。用普通电容代替X电容，除了电容耐压无法满足标准之外，纹波电流指标也难以符合要求。

  根据实际需要，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，防止拔掉电源线时由于该电容的放电过程太慢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（或对地电位）必须小于原来额定工作电压的30%。

2.2 Y电容

根据安全等级，Y容可以分为4类：

Y电容外观多为橙色或蓝色，一般都标有安全认证标志（如UL、CSA等标识）和耐压AC250V或AC275V字样。然而，从上表可以看到，其真正的直流耐压高达5000V（Y2）以上。必须强调，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。

   Y电容的电容量必须受到限制，从而达到控制在额定频率及额定电压作用下，流过它的漏电流的大小和对系统EMC性能影响的目的。GJB151规定Y电容的容量应不大于0.1uF。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，Y电容的耐压性能对保护人身安全具有重要意义。

   Y1属于双绝缘Y电容，用于跨接一二次侧；Y2则属于基本单绝缘Y电容，用于跨接一次侧对地保护即FG线。

2.3 X容与Y容的区别

   X电容抑制差模干扰，Y电容抑制共模干扰。

  基于漏电流的限制，Y电容值不能太大，一般X电容是uF级，Y电容是nF级。

   X电容常采用金属化聚丙烯薄膜电容器（MPX）；通常，X电容多选用耐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。X电容采用塑封、方形结构和内部高压OPP材料（金属化聚丙烯材料卷绕加工而成），OPP材质不但有更好的电气性能，而且与电源的输入端并联可以有效的减小高频脉冲对电源的影响。Y电容常采用高压瓷片的。

3、安规电容使用注意事项

   X、Y电容必须满足使用的电压要求，对于超过标称电压的，可以选择串联使用来均压，但是必须使用完全一致的电容串联。

   X、Y电容必须满足温度要求。对于Y电容，UL认证时的温度最高只能为85度，这是由于UL标准最高只进行85度的测试；但是欧洲认证的温度往往较高，目前UL同意采用欧洲认证的Y电容温度作为最高的使用温度。

   考虑电路输入端的可能的脉冲电压的大小，不同的电容承受脉冲电压的大小不同，电容的耐压不能小于电路中的脉冲电压的峰值。例如：UPS的输入端，考虑过电压等级III，一般来说脉冲电压峰值为4000V，所以输入端只能选择X1、Y1、Y2电容。

   Y1、Y2电容作为安全电容的X、Y电容，要求必须取得安全检测机构的认证。电容外观一般都标有安全认证标志（如UL、CSA 等标识）和耐压AC250V 或AC275V字样字样。必须强调，X、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。

4、安规电容选型

    对于逆变器中X、Y电容的选择，我们需要考虑所要求的绝缘要求，如基本绝缘、附加绝缘、双重绝缘、加强绝缘等。在不同的绝缘要求中，电容的选择也是存在区别的。

   根据电路的工作电压，过电压等级选择合适的安规电容。

5、安规电容的丝印识读

丝印图

注解：

1 为制造厂商的商标（LOGO）

2 为制造厂商型体（MKP）及电容认证类别（X2级）

3 为电容标称容量（对于RC组件，需有标称电阻阻值）

● 安规电容容量优先选用E6数系：

 1、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8的及其10进倍数

● 也可以选E12数系：

 1、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2

4 为容量允许偏差

●K级（±10%）；J级（±5%）；M级（±20%）

（IEC60384-14标准默认公差为±20%，一般选用K级）

5 为额定电压及电源性质（交流电压可用符号~表示）

● 一般使用额定电压值：250VAC、275（280）VAC、305（310）VAC、440VAC、760VAC。

● 电容器的额定电压应等于或大于所连接电源电压，电容器的设计应考虑系统电压高于其标称电压10%

6 为气候类别（40/105/21）

● 下限温度-40；上限温度+105，稳态湿热试验持续时间21天

依据IEC60384-14标准稳态湿热试验持续时间分为21天和56天，默许为21天，一般气候类别后紧跟一个字母表示阻燃等级。阻燃等级采用针焰烯烧试验进行，分为A\B\C三个等级，IEC60384-14标准默许C级。

7 为该电容符合的安规认证。

8 为该电容器的产品制造执行标准

6、附录：常见的安规标志