开关电源金属外壳触摸手麻原因分析

问题描述

当用手去触摸电控系统的金属外壳时，比如开关电源的金属外壳，经常会有手被麻一下的感觉。

尤其是光脚站在地板上去触摸的时候，麻的感觉更加明显。

但是手一直按住以后，又不再持续有麻的感觉。

本文尝试通过仿真分析下原理以及可能有用的措施。

原因分析：

图1. 开关电源原理图

图2. 几个关键测试点对地的波形

1、初级地有-300V半波波形;

2、次级地有-240~+90V的信号波形;

3、手摸上去瞬间，会产生脉冲电流，会有麻一下的感觉，强度与时间点有关，波峰处最强(15ms,35ms….)。

图3. 示波器测量时的波形

1、初级地有-300V半波波形;

2、次级地有90V左右波形;

3、搭上示波器，次级幅度变小，可理解为Y电容与示波器探头分压了;可以得出，Y电容越小，次级信号越弱

图4. 手按住开关电源次极时，示波器测得的波形

1、初级地有-300V半波波形;

2、次级地几乎没有电压;

3、手按住后，不会一直麻

对策

为什么会手麻

按住次级，加在人体上的电压很小，不会有麻的感觉;

触碰瞬间，Y电容有个充电过程，产生脉冲电流，才会有麻的感觉;

减小人体触电的感觉，有以下两种办法：

减小Y电容的容量;

减小次级地对大地阻抗。

对策及验证——减小Y电容的容量

图5. 减小Y电容容量之后的波形

去掉Y电容后，即使是次级悬浮，也只有不到10V电压，手摸上去不会有感觉。

注：理想情况下，次级悬浮时，次级地应该接近于初级地信号，搭上示波器才会变小。

但是在仿真模型中，变压器应该是有寄生参数，

接入变压器，次级输出就接近于零;

断开变压器，次级输出接近于初级输出。

对策及验证——减小次极参考地对大地阻抗

图6. 减小次极参考地对大地阻抗之后的波形

减小对地阻抗，比如加入47nF电容后，即使次级悬空，信号也小于10V ,手摸上去不会有麻的感觉。

注：次级地加大电容到大地，会引入EMC问题。

对策及验证——触碰瞬间电流波形

图7. 仿真测试人触摸瞬间的电流波形

Y电容及触摸时间点对脉冲电流的影响

图8. Y电容及触摸时间点对脉冲电流的影响

Y电容越小，脉冲电流越小，越不容易“电”到人。

理论上，在过零点触碰，也不会“电”人。

注：即使变压器完全断开，Y电容15pF时，仿真脉冲电流也小于1mA.

总结

1、开关电源初级地不是大地，相对零线或地线有一个-300V 50H左右的半波波形;

2、为了EMI性能，开关电源通常有Y电容，Y电容将初级地的交流信号引到次级;

3、人体有一定阻抗，2K左右;当手触摸次级地瞬间，次级地的信号会加在人体身上，产生一个脉冲电流，便有麻一下的感觉;

4、Y电容通常是nF级别，此电容在50Hz下阻抗为兆级别，手按住后，分到人体上的电压可以忽略，所以按住后不会再有麻的感觉;

5、Y电容的使用不会对人体产生安全风险，仅是在特定条件下会“电”到人;

6、从原理上分析，降低Y电容，或减小次级对地阻抗 ，可以避免“触电”。减小对地阻抗，可能引入EMC问题。

EMI 影响分析

未加入C4时，EMI信号主要路径如图中绿中所示，集中在板内，没有走到火线和零线上。

加入C4后，增加了红色的路径，此时在零线和火线都是信号回路的路径，容易产生EMI问题，可以考虑C4上串一个电感。

图9. 次极参考地与大地之间增加电容对信号回路的影响

来源：本文来源物联网全栈开发