Гашение остаточного заряда X-конденсаторов в блоках питания

Во входных цепях современных импульсных блоков питания обычно используется множество защитных элементов:

Для подавления электромагнитных помех во входных цепях устанавливают X-конденсаторы и дросселя, которые уменьшают уровень дифференциального шума (ВЧ-помех) конвертера БП.

X-конденсаторы устанавливаются параллельно входу переменного сетевого напряжения в БП:

При резком отключении подачи переменного тока на вход БП отключается нагрузка, а на X-конденсаторах остается заряд с высоким потенциалом. До разряда этих емкостей на AC коннекторах сохраняется опасное для жизни человека высокое напряжение, способное поразить человека, случайно прикоснувшегося к контактам.

Для разряда X-конденсаторов обычно устанавливают высокоомные (порядка 1Mohm) резисторы, устанавливаемые параллельно.

Разрядный резистор R1 во входной цепи импульсного блока питания:

Различные международные стандарты предусматривают необходимость разряда X-конденсаторов до определенной величины на протяжении установленного времени. Согласно современным стандартам IEC 60335 и IEC 62368 предусматривается, что вольтаж на X-конденсаторе до напряжения не более 34V должен происходить не дольше одной секунды.

Разрядные резисторы R1,R2 по 1 MOhm на схеме блока питания ATX CWT PUH400W:

Единственная и кратковременная роль разрядного резистора — понизить вольтаж на X-емкости после отключения нагрузки с БП. Все остальное время блок питания остается подключенным к сети переменного тока, а эти резисторы впустую потребляют ток, хоть и небольшой, но достаточно весомый, особенно в случае наличия множества компьютеров, подключенных к одному вводному щитку.

Потери, которые вносят X-конденсатор и разрядный резистор, можно рассчитать по формуле:

Power Loss = (Vac Line)2/R

Для вольтажа Vac = 230V и R=1 MΩ, величина потерь равна 0.0529 W.

На первый взгляд эта величина кажется смехотворной, но, учитывая современные нормативные требования к потреблению в режиме standby, она существенна.

Требования U.S. Department of Energy по потреблению энергии устройствами в режиме standby:

Если в блоке питания установлены достаточно емкие X-конденсаторы, а также имеются варисторы (они также обладают какой-то емкостью), то сопротивление разрядного резистора должно быть пропорционально уменьшено (в противном случае гасящяя нагрузка не успеет вовремя разрядить накопленный заряд).

Таблица с информацией о соответствии номиналов X-конденсаторов и гасящих резисторов, а также рассеиваемой последними мощности:

Уменьшение сопротивления балластного резистора приводит к значительному увеличению тока утечки — до величины более 0.1 ватт, что не соответствует требованиям для маломощных устройств (зарядных устройств) в США (см. предыдущую таблицу).

Как бороться с потерями на X-конденсаторах в режиме standby?

Чтобы избавиться от паразитного тока утечки через разрядные резисторы, в современных качественных блоках питания устанавливают специальные микросхемы (X2 discharge ICs), осуществляющие разряд X-конденсаторов при отсутствии входного переменного напряжения и наличии на них постоянной составляющей:

Эти чипы еще называют волшебными переключателями (Magic switch).

Микросхема-разрядник реагирует на частоту напряжения на входе блока питания. Если она ниже 20Hz (сигнал AC plug out), то встроенные в чип высоковольтные MOSFET-ы открываются и через резисторы R1-R2 обнуляют накопленный на X-конденсаторе и варисторе потенциал.

При появлении на входе блока питания напряжения с частотой более 20Hz (сигнал AC plug in) ключи размыкаются, блок питания начинает работать в стандартном режиме:

Сравнение схем с использованием разрядного резистора и «волшебного переключателя»:

Эквивалентная схема Magic Switch:

Таблица для расчета номинала разрядного резистора в зависимости от емкости X-конденсатора при использовании микросхемы-разрядника:

Микросхема-разрядник X-конденсатора в блоке питания FSP-1200 (расположена на зеленой плате ERP Board):

Плата C5-Board с чипом-разрядником на входе блока питания BeQuiet Dark Power Pro 11 на 1200W(IC1 CAP007DG-TL производства POWER INTEGRATIONS, 825V, до 2.5 mF, гасящие резисторы не менее R1+R2=300 кОм), X-конденсатором на 0.68 мкФ, 250V и разрядными резисторами Rd1-Rd2 по 156 kOhm: