X電容放電回路設計分析

朱乃榕

（福建省產品質量檢驗研究院 ，福建 福州 350002）

1 引言

X電容全稱抑制電源電磁干擾用電容器，一般安裝在電源初級整流模塊之前，主要用于相間跨線、EMI濾波（降低差模干擾）等，在手機充電器、ATX電源等常見電子設備都有廣泛運用。在實際電路中，X電容規格一般不低于uF級，電容內貯藏有大量電荷。設備在脫離電網連接后，因X電容跨接相線使得插頭極間帶有高壓，倘若人體意外觸及電源插頭，即形成放電回路，存在電擊危險。針對插頭帶電危險，GB 4943.1-2011第2.1.1.7條規定，A型可插式設備（例如電源適配器等）放電時間常數不得超過1s，放電1s后電容器殘余電壓不得超過初始值的37%。

2 設計分析

列舉三種放電回路設計方案如下，典型運用電路如圖1所示。S閉合時相當于設備與電網連接；S斷開相當于設備與電網斷開。

方案一：

當前普遍采用的是RC放電方式。

原理介紹：根據基爾霍夫電壓定律，RC電路方程為：

（初值條件Uc（0+）=Uc（0_）=Uin），解得

RC乘值統稱為時間常數。

上式中取RC=1，t=1（s），即得放電1s時刻Uc=Uin·e-1≈37%Uin。一般來說，當時間常數小于1（例如C取0.47uF，R取2MΩ，時間常數為0.94），X電容放電1s后的殘余電壓一般不超過初始值的37%，滿足GB 4943.1-2011要求。

優缺點分析：

優點1：電路設計容易，僅需泄放電阻R與X電容C并聯即構成放電回路；優點2：參數計算簡單，理論殘余電壓和時間常數可根據上式換算得到；缺點1：消耗額外功率，泄放電阻R在設備連接電網后不斷消耗功率（該消耗功率占待機功率的絕大部分），消耗功率缺點2：當提高X電容規格以獲取更優EMI濾波效果時，因時間常數不得大于1，必須減小泄放電阻R的阻值。由于無形中加大了消耗功率。

方案二：

Power Integrations公司在2010年推出了CAPZero系列放電IC，該類型放電IC不僅能配合泄放電阻構成放電回路，還可以有效降低泄放電阻的消耗功率。

原理介紹：該類型放電IC內部集成有電壓檢測器和MOSFET驅動，能夠檢測比較IC兩端電壓，根據電壓變化驅動片內MOSFET導通和截止，使得放電IC具備斷電檢測和電子開關功能。當S閉合后，放電IC檢測到上電，片內MOSFET截止，AB點開路，泄放電阻R1和R2無電流經過，無消耗功率；當S斷開后，放電IC檢測到斷電，片內MOSFET導通，AB點短路，泄放電阻R1和R2、放電IC、X電容C構成放電回路。

優缺點分析：

優點1：時間常數等參數計算簡單，等同于方案一；優點2：僅當設備與電網斷開后，泄放電阻才消耗功率（X電容電荷），降低了設備的待機功率；優點3：在提高EMI濾波效果且不影響待機功率的前提下，X電容規格的選擇更加自由；缺點1：放電IC內部的鏡像MOSFET偏置要求必須有2個泄放電阻（R1和R2）串聯使用，增加了線路布局復雜性；缺點2：一旦放電IC故障導致AB點持續開路，放電功能失效。對此，國際電工委員會IEC在2013年提出了DSH1080號CTL決議，要求對該類型放電IC進行復雜的試驗考核。

方案三：

Fairchild Semiconductor公司在2013年推出了FSB系列功率開關IC，該類型功率開關IC在繼承了方案二放電IC常態無消耗功率和X電容選擇靈活的前提下，將放電IC的功能固化于自身電路中，去除了放電IC，進行了較大程度的改良。

原理介紹：該類型功率開關IC將電壓檢測器、PWM調制、MOSFET驅動及反饋調節等功能集成一體。當S閉合后，電流流經泄放電阻R為功率開關IC內啟動電容充電，充電滿后驅動MOSFET管配合PWM調制再經反饋調節，使得電路正常起振工作。電路起振后，啟動電容轉由隔離變壓器副繞組電路充電，功率開關IC對泄放電阻R開路，此過程中AB點始終截止；當S斷開后，功率開關IC檢測斷電，驅動AB點導通。整流二極管D2和D5、泄放電阻R、X電容C；整流二極管D1和D6、泄放電阻R、X電容C分別構成放電回路。

優缺點分析：

優點1：整流二極管（D5、D6）的導通壓降不大，對放電參數的影響可忽略不計，參數計算等同于方案一；優點2：待機功率低且X電容規格選擇靈活；優點3：未使用方案二中的放電IC，豁免了DSH1080號CTL決議要求；缺點1：一旦整流二極管D5或D6存在短路故障，X電容無法正常放電，放電功能失效。

結語

上述三種X電容放電回路設計各有利弊，恒定不變的是X電容貯藏電荷最終都消耗在泄放電阻上。設計者可根據實際電路要求選擇合適的放電回路方案。

[1]GB 4943.1-2011，信息技術設備安全第1部分：通用要求[S].