安全不能忽视!触摸金属外壳,感觉手麻,从电路角度来告诉你是怎么回事

硬件笔记本 2024-06-23 11:18

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问题描述

当用手去触摸电控系统的金属外壳,比如开关电源的金属外壳时,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

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