X电容放电回路设计分析

朱乃榕

（福建省产品质量检验研究院 ，福建 福州 350002）

1 引言

X电容全称抑制电源电磁干扰用电容器，一般安装在电源初级整流模块之前，主要用于相间跨线、EMI滤波（降低差模干扰）等，在手机充电器、ATX电源等常见电子设备都有广泛运用。在实际电路中，X电容规格一般不低于uF级，电容内贮藏有大量电荷。设备在脱离电网连接后，因X电容跨接相线使得插头极间带有高压，倘若人体意外触及电源插头，即形成放电回路，存在电击危险。针对插头带电危险，GB 4943.1-2011第2.1.1.7条规定，A型可插式设备（例如电源适配器等）放电时间常数不得超过1s，放电1s后电容器残余电压不得超过初始值的37%。

2 设计分析

列举三种放电回路设计方案如下，典型运用电路如图1所示。S闭合时相当于设备与电网连接；S断开相当于设备与电网断开。

方案一：

当前普遍采用的是RC放电方式。

原理介绍：根据基尔霍夫电压定律，RC电路方程为：

（初值条件Uc（0+）=Uc（0_）=Uin），解得

RC乘值统称为时间常数。

上式中取RC=1，t=1（s），即得放电1s时刻Uc=Uin·e-1≈37%Uin。一般来说，当时间常数小于1（例如C取0.47uF，R取2MΩ，时间常数为0.94），X电容放电1s后的残余电压一般不超过初始值的37%，满足GB 4943.1-2011要求。

优缺点分析：

优点1：电路设计容易，仅需泄放电阻R与X电容C并联即构成放电回路；优点2：参数计算简单，理论残余电压和时间常数可根据上式换算得到；缺点1：消耗额外功率，泄放电阻R在设备连接电网后不断消耗功率（该消耗功率占待机功率的绝大部分），消耗功率缺点2：当提高X电容规格以获取更优EMI滤波效果时，因时间常数不得大于1，必须减小泄放电阻R的阻值。由于无形中加大了消耗功率。

方案二：

Power Integrations公司在2010年推出了CAPZero系列放电IC，该类型放电IC不仅能配合泄放电阻构成放电回路，还可以有效降低泄放电阻的消耗功率。

原理介绍：该类型放电IC内部集成有电压检测器和MOSFET驱动，能够检测比较IC两端电压，根据电压变化驱动片内MOSFET导通和截止，使得放电IC具备断电检测和电子开关功能。当S闭合后，放电IC检测到上电，片内MOSFET截止，AB点开路，泄放电阻R1和R2无电流经过，无消耗功率；当S断开后，放电IC检测到断电，片内MOSFET导通，AB点短路，泄放电阻R1和R2、放电IC、X电容C构成放电回路。

优缺点分析：

优点1：时间常数等参数计算简单，等同于方案一；优点2：仅当设备与电网断开后，泄放电阻才消耗功率（X电容电荷），降低了设备的待机功率；优点3：在提高EMI滤波效果且不影响待机功率的前提下，X电容规格的选择更加自由；缺点1：放电IC内部的镜像MOSFET偏置要求必须有2个泄放电阻（R1和R2）串联使用，增加了线路布局复杂性；缺点2：一旦放电IC故障导致AB点持续开路，放电功能失效。对此，国际电工委员会IEC在2013年提出了DSH1080号CTL决议，要求对该类型放电IC进行复杂的试验考核。

方案三：

Fairchild Semiconductor公司在2013年推出了FSB系列功率开关IC，该类型功率开关IC在继承了方案二放电IC常态无消耗功率和X电容选择灵活的前提下，将放电IC的功能固化于自身电路中，去除了放电IC，进行了较大程度的改良。

原理介绍：该类型功率开关IC将电压检测器、PWM调制、MOSFET驱动及反馈调节等功能集成一体。当S闭合后，电流流经泄放电阻R为功率开关IC内启动电容充电，充电满后驱动MOSFET管配合PWM调制再经反馈调节，使得电路正常起振工作。电路起振后，启动电容转由隔离变压器副绕组电路充电，功率开关IC对泄放电阻R开路，此过程中AB点始终截止；当S断开后，功率开关IC检测断电，驱动AB点导通。整流二极管D2和D5、泄放电阻R、X电容C；整流二极管D1和D6、泄放电阻R、X电容C分别构成放电回路。

优缺点分析：

优点1：整流二极管（D5、D6）的导通压降不大，对放电参数的影响可忽略不计，参数计算等同于方案一；优点2：待机功率低且X电容规格选择灵活；优点3：未使用方案二中的放电IC，豁免了DSH1080号CTL决议要求；缺点1：一旦整流二极管D5或D6存在短路故障，X电容无法正常放电，放电功能失效。

结语

上述三种X电容放电回路设计各有利弊，恒定不变的是X电容贮藏电荷最终都消耗在泄放电阻上。设计者可根据实际电路要求选择合适的放电回路方案。

[1]GB 4943.1-2011，信息技术设备安全第1部分：通用要求[S].