開關(guān)電源金屬外殼觸摸手麻原因分析

問(wèn)題描述

當(dāng)用手去觸摸電控系統(tǒng)的金屬外殼時(shí)，比如開關(guān)電源的金屬外殼，經(jīng)常會(huì)有手被麻一下的感覺(jué)。

尤其是光腳站在地板上去觸摸的時(shí)候，麻的感覺(jué)更加明顯。

但是手一直按住以后，又不再持續(xù)有麻的感覺(jué)。

本文嘗試通過(guò)仿真分析下原理以及可能有用的措施。

原因分析：

圖1. 開關(guān)電源原理圖

圖2. 幾個(gè)關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)對(duì)地的波形

1、初級(jí)地有-300V半波波形;

2、次級(jí)地有-240~+90V的信號(hào)波形;

3、手摸上去瞬間，會(huì)產(chǎn)生脈沖電流，會(huì)有麻一下的感覺(jué)，強(qiáng)度與時(shí)間點(diǎn)有關(guān)，波峰處最強(qiáng)(15ms,35ms….)。

圖3. 示波器測(cè)量時(shí)的波形

1、初級(jí)地有-300V半波波形;

2、次級(jí)地有90V左右波形;

3、搭上示波器，次級(jí)幅度變小，可理解為Y電容與示波器探頭分壓了;可以得出，Y電容越小，次級(jí)信號(hào)越弱

圖4. 手按住開關(guān)電源次極時(shí)，示波器測(cè)得的波形

1、初級(jí)地有-300V半波波形;

2、次級(jí)地幾乎沒(méi)有電壓;

3、手按住后，不會(huì)一直麻

對(duì)策

為什么會(huì)手麻

按住次級(jí)，加在人體上的電壓很小，不會(huì)有麻的感覺(jué);

觸碰瞬間，Y電容有個(gè)充電過(guò)程，產(chǎn)生脈沖電流，才會(huì)有麻的感覺(jué);

減小人體觸電的感覺(jué)，有以下兩種辦法：

減小Y電容的容量;

減小次級(jí)地對(duì)大地阻抗。

對(duì)策及驗(yàn)證——減小Y電容的容量

圖5. 減小Y電容容量之后的波形

去掉Y電容后，即使是次級(jí)懸浮，也只有不到10V電壓，手摸上去不會(huì)有感覺(jué)。

注：理想情況下，次級(jí)懸浮時(shí)，次級(jí)地應(yīng)該接近于初級(jí)地信號(hào)，搭上示波器才會(huì)變小。

但是在仿真模型中，變壓器應(yīng)該是有寄生參數(shù)，

接入變壓器，次級(jí)輸出就接近于零;

斷開變壓器，次級(jí)輸出接近于初級(jí)輸出。

對(duì)策及驗(yàn)證——減小次極參考地對(duì)大地阻抗

圖6. 減小次極參考地對(duì)大地阻抗之后的波形

減小對(duì)地阻抗，比如加入47nF電容后，即使次級(jí)懸空，信號(hào)也小于10V ,手摸上去不會(huì)有麻的感覺(jué)。

注：次級(jí)地加大電容到大地，會(huì)引入EMC問(wèn)題。

對(duì)策及驗(yàn)證——觸碰瞬間電流波形

圖7. 仿真測(cè)試人觸摸瞬間的電流波形

Y電容及觸摸時(shí)間點(diǎn)對(duì)脈沖電流的影響

圖8. Y電容及觸摸時(shí)間點(diǎn)對(duì)脈沖電流的影響

Y電容越小，脈沖電流越小，越不容易“電”到人。

理論上，在過(guò)零點(diǎn)觸碰，也不會(huì)“電”人。

注：即使變壓器完全斷開，Y電容15pF時(shí)，仿真脈沖電流也小于1mA.

總結(jié)

1、開關(guān)電源初級(jí)地不是大地，相對(duì)零線或地線有一個(gè)-300V 50H左右的半波波形;

2、為了EMI性能，開關(guān)電源通常有Y電容，Y電容將初級(jí)地的交流信號(hào)引到次級(jí);

3、人體有一定阻抗，2K左右;當(dāng)手觸摸次級(jí)地瞬間，次級(jí)地的信號(hào)會(huì)加在人體身上，產(chǎn)生一個(gè)脈沖電流，便有麻一下的感覺(jué);

4、Y電容通常是nF級(jí)別，此電容在50Hz下阻抗為兆級(jí)別，手按住后，分到人體上的電壓可以忽略，所以按住后不會(huì)再有麻的感覺(jué);

5、Y電容的使用不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)，僅是在特定條件下會(huì)“電”到人;

6、從原理上分析，降低Y電容，或減小次級(jí)對(duì)地阻抗 ，可以避免“觸電”。減小對(duì)地阻抗，可能引入EMC問(wèn)題。

EMI 影響分析

未加入C4時(shí)，EMI信號(hào)主要路徑如圖中綠中所示，集中在板內(nèi)，沒(méi)有走到火線和零線上。

加入C4后，增加了紅色的路徑，此時(shí)在零線和火線都是信號(hào)回路的路徑，容易產(chǎn)生EMI問(wèn)題，可以考慮C4上串一個(gè)電感。

圖9. 次極參考地與大地之間增加電容對(duì)信號(hào)回路的影響

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