問題描述

當用手去觸摸電控系統的金屬外殼時，比如開關電源的金屬外殼，經常會有手被麻一下的感覺。

尤其是光腳站在地板上去觸摸的時候，麻的感覺更加明顯。

但是手一直按住以后，又不再持續有麻的感覺。

本文嘗試通過仿真分析下原理以及可能有用的措施。

原因分析：

圖1. 開關電源原理圖

圖2. 幾個關鍵測試點對地的波形

1、初級地有-300V半波波形;

2、次級地有-240~+90V的信號波形;

3、手摸上去瞬間，會產生脈沖電流，會有麻一下的感覺，強度與時間點有關，波峰處最強(15ms,35ms….)。

圖3. 示波器測量時的波形

1、初級地有-300V半波波形;

2、次級地有90V左右波形;

3、搭上示波器，次級幅度變小，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，次級信號越弱

圖4. 手按住開關電源次極時，示波器測得的波形

1、初級地有-300V半波波形;

2、次級地幾乎沒有電壓;

3、手按住后，不會一直麻

對策

為什么會手麻

按住次級，加在人體上的電壓很小，不會有麻的感覺;

觸碰瞬間，Y電容有個充電過程，產生脈沖電流，才會有麻的感覺;

減小人體觸電的感覺，有以下兩種辦法：

減小Y電容的容量;

減小次級地對大地阻抗。

對策及驗證——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，即使是次級懸浮，也只有不到10V電壓，手摸上去不會有感覺。

注：理想情況下，次級懸浮時，次級地應該接近于初級地信號，搭上示波器才會變小。

但是在仿真模型中，變壓器應該是有寄生參數，

接入變壓器，次級輸出就接近于零;

斷開變壓器，次級輸出接近于初級輸出。

對策及驗證——減小次極參考地對大地阻抗

圖6. 減小次極參考地對大地阻抗之后的波形

減小對地阻抗，比如加入47nF電容后，即使次級懸空，信號也小于10V ,手摸上去不會有麻的感覺。

注：次級地加大電容到大地，會引入EMC問題。

對策及驗證——觸碰瞬間電流波形

圖7. 仿真測試人觸摸瞬間的電流波形

Y電容及觸摸時間點對脈沖電流的影響

圖8. Y電容及觸摸時間點對脈沖電流的影響

Y電容越小，脈沖電流越小，越不容易“電”到人。

理論上，在過零點觸碰，也不會“電”人。

注：即使變壓器完全斷開，Y電容15pF時，仿真脈沖電流也小于1mA.

總結

1、開關電源初級地不是大地，相對零線或地線有一個-300V 50H左右的半波波形;

2、為了EMI性能，開關電源通常有Y電容，Y電容將初級地的交流信號引到次級;

3、人體有一定阻抗，2K左右;當手觸摸次級地瞬間，次級地的信號會加在人體身上，產生一個脈沖電流，便有麻一下的感覺;

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

5、Y電容的使用不會對人體產生安全風險，僅是在特定條件下會“電”到人;

6、從原理上分析，降低Y電容，或減小次級對地阻抗 ，可以避免“觸電”。減小對地阻抗，可能引入EMC問題。

EMI 影響分析

未加入C4時，EMI信號主要路徑如圖中綠中所示，集中在板內，沒有走到火線和零線上。

加入C4后，增加了紅色的路徑，此時在零線和火線都是信號回路的路徑，容易產生EMI問題，可以考慮C4上串一個電感。

圖9. 次極參考地與大地之間增加電容對信號回路的影響

來源：本文來源物聯網全棧開發