接地规则:接地、类别和 EMC

Bare feet on green grass
直接将标准 II 类 AC/DC 开关电源的输出接地,可能会引发 EMC 问题。为解决这一问题,可以使用外部主电源滤波器,或选择专为 PELV 应用设计并带有额外内部滤波功能的 RECOM 系列电源。

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为什么要接地?

市电是一种危险电压,因此需要采取防电击保护措施(表 1)。由于电流总是选择阻力最小的路径,接地是减少电击危险的一种方法,通过将任何泄漏或故障电流分流回接地电位,而不是通过人体相对较高的阻抗来实现。另一种防止电击的方法是引入足够的绝缘层,阻挡电流在安全水平内。通常,对于市电电压,需要两种独立的绝缘方式(双重或增强绝缘),这样即使一个绝缘屏障失效,剩余的屏障仍然可以阻止电流流动。
Electric current effects and safety classes
表 1:人体阈值电流(来源:《DC/DC 知识手册》,6.1.2 节)。
Electrical ground symbols: Signal, Chassis, Earth
图 1:接地符号类型。
如果电源接地,则接地连接会用一个标准化符号表示。由于接地电位的功能略有不同,接地符号有三种类型(图 1):

信号地: 电路内电流的返回路径或零电压连接点。信号地不一定要与机壳地或接地连接,但可以连接。

机壳地: 连接到设备金属机壳或外壳的单一接地点。机壳地的作用是收集任何杂散或感应电压,并将其返回到接地电位(屏蔽功能),但也可以连接到大地以防止电击(接地功能)。重要的是,机壳地和大地接地应在单一接地点相连,否则可能会导致电流通过机壳从电路的一端流到另一端,形成接地环路。接地环路可能会导致不必要的电气噪声,损害电路性能并对电磁兼容性 (EMC)抗扰度产生不利影响。

大地接地: 也称为保护接地 (PE) 连接,连接回电源连接器中的接地引脚,形成针对任何泄漏或故障电流的安全低阻抗路径。本白皮书中,“大地”和“接地”可互换使用。

什么是电源类别?

如果电源具有充分绝缘,可以避免接触电源的人触电,或使用安全超低电压 (SELV),则不一定需要将电源接地。令人困惑的是,类别系统分为 I 类、II 类或 III 类,或分为 1 类或 2 类,具体取决于使用的标准

国际电工委员会 (IEC) 的电路分类为:
Grounded electrical circuit symbol for earth
图 2a:接地符号。

I 类设备

使用保护接地(例如接地的金属外壳或接地输出)和故障电源断开(保险丝或断路器)作为一种保护措施的系统,因此只需要基本绝缘。无暴露的危险电压(接地的金属外壳或非导电外壳)。
Black square frame
图 2b:双重绝缘符号。

II 类设备

使用双重或增强绝缘,无需接地金属外壳,无暴露的危险电压(非导电外壳)。不需要 PE 连接,但可以使用滤波器接地连接(功能接地而非保护接地)。

注意:如果 AC/DC 电源符合 EMC 法规标准而配有滤波器接地 (FG) 连接,但若无需接地来防止电击,则仍然可以归类为 II 类电源。
Resistor symbol on white background
图 2c:III 类符号。

III 类设备

由 SELV 电源供电,并且内部不会产生危险电压,因此只需要功能绝缘。可以使用功能接地,但不允许连接到 PE(通过电源没有返回路径接地)。

美国国家电气规范 (NEC) 分类系统也使用类似的“类别”系统来表示不同的防护等级,但使用阿拉伯数字来表示对过度能量耗散(火灾危险)的防护等级。

NEC 电路分类如下:

  • 1 类电路:功率限制 <1kVA 且输出电压<30VAC
  • 2 类电路:功率限制 <100VA,输入电压 <600VAC 且输出电压 <42.5VAC
  • 3 类电路:功率限制 <100VA,输入电压 <600VAC 且输出电压 <100VAC;需要额外的防电击保护措施。

因此,如有人谈论“二类”电源,请务必确定使用的是 IEC 还是 NEC 定义。

输入接地

Electrical wires connected to a terminal
图 3:1 类电源上的主电源输入连接 (RACM600L)。接地端子旁边是外壳接地点,也标有接地符号。
图 3 显示了使用保护接地连接来确保安全同时进行噪声滤波的 I 类电源:

图 4 显示了一个典型的 AC/DC I 类开关转换器简化框图。开关级会产生电气噪声(红色部分),这种噪声会传导回输入端,并通过隔离变压器耦合电容传导至输出端。噪声滤波路径(蓝色部分)使用 C2、C3、C5 和 C6 将干扰引导至低阻抗地。

输出端的电容耦合噪声通过电容器 C4“短路”回开关,从而闭合环路。C4 放置在隔离屏障两侧,因此其额定隔离耐受电压必须满足要求(典型值为 4 kV),并且必须为 Y 型电容器。C1 是主电源额定 X 电容,C2、C3、C5 和 C6 均为 Y 电容。有关 Y 电容和 X 电容之间的区别,请参阅RECOM《AC/DC 知识手册》,...

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