熱敏電阻抑制浪涌電流設(shè)計(jì),Surge suppression

關(guān)鍵字：浪涌抑制電路設(shè)計(jì)

圖1是典型的電子產(chǎn)品電源部分簡(jiǎn)化電路，C1是與負(fù)載并聯(lián)的濾波電容。在開機(jī)上電的瞬間，電容電壓不能突變，因此會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的充電電流。根據(jù)一階電路零狀態(tài)響應(yīng)模型所建立的一階線性非齊次方程可以求出其電流初始值相當(dāng)于把濾波電容短路而得到的電流值。這個(gè)電流就是我們常說(shuō)的輸入浪涌電流，它是在對(duì)濾波電容進(jìn)行初始充電時(shí)產(chǎn)生的，其大小取決于啟動(dòng)上電時(shí)輸入電壓的幅值以及由橋式整流器和電解電容其所形成的回路的總電阻。

圖1 電源示意圖

假設(shè)輸入電壓V1為220Vac，整個(gè)電網(wǎng)內(nèi)阻(含整流橋和濾波電容)Rs=1Ω，若正好在電源輸入波形達(dá)到90度相位的時(shí)候開機(jī)，那么開機(jī)瞬間浪涌電流的峰值將達(dá)到I=220×1.414/1=311(A)。這個(gè)浪涌電流雖然時(shí)間很短，但如果不加以抑制，會(huì)減短輸入電容和整流橋的壽命，還可能造成輸入電源電壓的降低，讓使用同一輸入電源的其它動(dòng)力設(shè)備瞬間掉電，對(duì)臨近設(shè)備的正常工作產(chǎn)生干擾。

浪涌電流的抑制

浪涌電流的抑制方法有很多，一般中小功率電源中采用電阻限流的辦法抑制開機(jī)浪涌電流。圖2是一個(gè)常見(jiàn)的110V/220V雙輸入電源示意圖，以此為例，我們分析一下如何使用NTC熱敏電阻進(jìn)行浪涌電流的抑制。

圖2 110/220Vac雙輸入電源示意圖

NTC熱敏電阻，即負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，其特性是電阻值隨著溫度的升高而呈非線性的下降。NTC在應(yīng)用上一般分為測(cè)溫?zé)崦綦娮韬凸β市蜔崦綦娮瑁糜谝种评擞康腘TC熱敏電阻指的就是功率型熱敏電阻器。

圖2中R1~R4為熱敏電阻浪涌抑制器通常放置的位置。對(duì)于同時(shí)兼容110Vac和220Vac輸入的雙電壓輸入產(chǎn)品，應(yīng)該在R1和R2位置同時(shí)放兩個(gè)NTC熱敏電阻，這樣可使在110Vac輸入連接線連接時(shí)和220Vac輸入連接線斷開時(shí)的沖擊電流大小一致，也可單獨(dú)在R3或R4處放置一個(gè)NTC熱敏電阻。對(duì)于只有220Vac輸入的單電壓產(chǎn)品，只需在R3或R1位置放1個(gè)NTC熱敏電阻即可。

其工作原理如下：

在常溫下，NTC熱敏電阻具有較高的電阻值(一般選用5Ω或10Ω)，即標(biāo)稱零功率電阻值。參考圖1的例子，串接10ΩNTC時(shí)，開機(jī)浪涌電流為：I=220×1.414/(1+10)= 28(A)，比未使用NTC熱敏電阻時(shí)的311A降低了10倍，有效的起到了抑制浪涌電流的作用。

開機(jī)后，由于NTC熱敏電阻迅速發(fā)熱、溫度升高，其電阻值會(huì)在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)迅速下降到一個(gè)很小的級(jí)別，一般只有零點(diǎn)幾歐到幾歐的大小，相對(duì)于傳統(tǒng)的固定阻值限流電阻而言，這意味著電阻上的功耗因?yàn)樽柚档南陆惦S之降低了幾十到上百倍，因此這種設(shè)計(jì)非常適合對(duì)轉(zhuǎn)換效率和節(jié)能有較高要求的產(chǎn)品，如開關(guān)電源。

斷電后，NTC熱敏電阻隨著自身的冷卻，電阻值會(huì)逐漸恢復(fù)到標(biāo)稱零功率電阻值，恢復(fù)時(shí)間需要幾十秒到幾分鐘不等。下一次啟動(dòng)時(shí)，又按上述過(guò)程循環(huán)。

改進(jìn)型電源設(shè)計(jì)

上述使用NTC浪涌抑制器的電路與使用固定電阻的電路相比，已經(jīng)具備了節(jié)能的特性。對(duì)于某些特殊的產(chǎn)品，如工業(yè)產(chǎn)品，有時(shí)客戶會(huì)提出如下要求：1、如何降低NTC的故障率以提高其使用壽命?2、如何將NTC的功耗降至最低?3、如何使串聯(lián)了NTC熱敏電阻的電源電路能適應(yīng)循環(huán)開關(guān)的應(yīng)用條件?

對(duì)于第1、2兩點(diǎn)，因?yàn)镹TC熱敏電阻的主要作用是抑制浪涌，產(chǎn)品正常啟動(dòng)后它所消耗的能量是我們不需要的，如果有一種可行的辦法能將NTC熱敏電阻從正常工作的電路中切斷，就可以滿足這種要求。

對(duì)于第3點(diǎn)，首先分析為什么使用了NTC熱敏電阻的產(chǎn)品不能頻繁開關(guān)。從電路工作原理的分析我們可以看到，在正常工作狀態(tài)下，是有一定電流通過(guò)NTC熱敏電阻的，這個(gè)工作電流足以使NTC的表面溫度達(dá)到100℃～200℃。當(dāng)產(chǎn)品關(guān)斷時(shí)，NTC熱敏電阻必須要從高溫低阻狀態(tài)完全恢復(fù)到常溫高阻狀態(tài)才能達(dá)到與上一次同等的浪涌抑制效果。這個(gè)恢復(fù)時(shí)間與NTC熱敏電阻的耗散系數(shù)和熱容有關(guān)，工程上一般以冷卻時(shí)間常數(shù)作為參考。所謂冷卻時(shí)間常數(shù)，指的是在規(guī)定的介質(zhì)中，NTC熱敏電阻自熱后冷卻到其溫升的63.2%所需要的時(shí)間(單位為秒)。冷卻時(shí)間常數(shù)并不是NTC熱敏電阻恢復(fù)到常態(tài)所需要的時(shí)間，但冷卻時(shí)間常數(shù)越大，所需要的恢復(fù)時(shí)間就越長(zhǎng)，反之則越短。

在上述思路的指導(dǎo)下，產(chǎn)生了圖3的改進(jìn)型電路。產(chǎn)品上電瞬間，NTC熱敏電阻將浪涌電流抑制到一個(gè)合適的水平，之后產(chǎn)品得電正常工作，此時(shí)繼電器線圈從負(fù)載電路得電后動(dòng)作，將NTC熱敏電阻從工作電路中切去。這樣，NTC熱敏電阻僅在產(chǎn)品啟動(dòng)時(shí)工作，而當(dāng)產(chǎn)品正常工作時(shí)是不接入電路的。這樣既延長(zhǎng)了NTC熱敏電阻的使用壽命，又保證其有充分的冷卻時(shí)間，能適用于需要頻繁開關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)合。

圖3 帶繼電器旁路電路的電源設(shè)計(jì)示意圖

NTC熱敏電阻的選型要考慮以下幾個(gè)要點(diǎn)：

最大額定電壓和濾波電容值

濾波電容的大小決定了應(yīng)該選用多大尺寸的NTC。對(duì)于某個(gè)尺寸的NTC熱敏電阻來(lái)說(shuō)，允許接入的濾波電容的大小是有嚴(yán)格要求的，這個(gè)值也與最大額定電壓有關(guān)。在電源應(yīng)用中，開機(jī)浪涌是因?yàn)殡娙莩潆姰a(chǎn)生的，因此通常用給定電壓值下的允許接入的電容量來(lái)評(píng)估NTC熱敏電阻承受浪涌電流的能力。對(duì)于某一個(gè)具體的NTC熱敏電阻來(lái)說(shuō)，所能承受的最大能量已經(jīng)確定了，根據(jù)一階電路中電阻的能量消耗公式E=1/2×CV2可以看出，其允許的接入的電容值與額定電壓的平方成反比。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是輸入電壓越大，允許接入的最大電容值就越小，反之亦然。

NTC熱敏電阻產(chǎn)品的規(guī)范一般定義了在220Vac下允許接入的最大電容值。假設(shè)某應(yīng)用條件最大額定電壓是420Vac，濾波電容值為200μF，根據(jù)上述能量公式可以折算出在220Vac下的等效電容值應(yīng)為200×4202/2202=729μF，這樣在選型時(shí)就必須選擇220Vac下允許接入電容值大于729μF的型號(hào)。

產(chǎn)品允許的最大啟動(dòng)電流值和長(zhǎng)期加載在NTC熱敏電阻上的工作電流

電子產(chǎn)品允許的最大啟動(dòng)電流值決定了NTC熱敏電阻的阻值。假設(shè)電源額定輸入為220Vac，內(nèi)阻為1Ω，允許的最大啟動(dòng)電流為60A，那么選取的NTC在初始狀態(tài)下的最小阻值為Rmin=(220×1.414/60)-1=4.2(Ω)。至此，滿足條件的NTC熱敏電阻一般會(huì)有一個(gè)或多個(gè)，此時(shí)再按下面的方法進(jìn)行選擇。

產(chǎn)品正常工作時(shí)，長(zhǎng)期加載在NTC熱敏電阻上的電流應(yīng)不大于規(guī)格書規(guī)定的電流。根據(jù)這個(gè)原則可以從阻值大于4.2Ω的多個(gè)電阻中挑選出一個(gè)適合的阻值。當(dāng)然這指的是在常溫情況下。如果工作的環(huán)境溫度不是常溫，就需要按下文提到的原則來(lái)進(jìn)行NTC熱敏電阻的降額設(shè)計(jì)。

NTC熱敏電阻的工作環(huán)境

由于NTC熱敏電阻受環(huán)境溫度影響較大，一般在產(chǎn)品規(guī)格書中只給出常溫下(25℃)的阻值，若產(chǎn)品應(yīng)用條件不是在常溫下，或因產(chǎn)品本身設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)的原因，導(dǎo)致NTC熱敏電阻周圍環(huán)境溫度不是常溫的時(shí)候，必須先計(jì)算出NTC在初始狀態(tài)下的阻值才能進(jìn)行以上步驟的選擇。

當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)，必須根據(jù)廠家提供的降功耗曲線進(jìn)行降額設(shè)計(jì)。將功耗曲線一般有兩種形式，如圖4所示。

圖4 降功耗曲線

對(duì)曲線a，允許的最大持續(xù)工作電流可用以下公式表示：

對(duì)曲線b，允許的最大持續(xù)工作電流可用以下公式表示：

事實(shí)上，不少生產(chǎn)廠家都對(duì)自己的產(chǎn)品定義了環(huán)境溫度類別，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量使NTC熱敏電阻工作的環(huán)境溫度不超出廠家規(guī)定的上/下限溫度。同時(shí)，應(yīng)注意不要使其工作在潮濕的環(huán)境中，因?yàn)檫^(guò)于潮濕的環(huán)境會(huì)加速NTC熱敏電阻的老化。

結(jié)論

通過(guò)以上分析可以看出，在電源設(shè)計(jì)中使用NTC熱敏電阻型浪涌抑制器，其抑制浪涌電流的能力與普通電阻相當(dāng)，而在電阻上的功耗則可降低幾十到上百倍。對(duì)于需要頻繁開關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)合，電路中必須增加繼電器旁路電路以保證NTC熱敏電阻能完全冷卻恢復(fù)到初始狀態(tài)下的電阻。在產(chǎn)品選型上，要根據(jù)最大額定電壓和濾波電容值選定產(chǎn)品系列，根據(jù)產(chǎn)品允許的最大啟動(dòng)電流值和長(zhǎng)時(shí)間加載在NTC熱敏電阻上的工作電流來(lái)選擇NTC熱敏電阻的阻值，同時(shí)要考慮工作環(huán)境的溫度，適當(dāng)進(jìn)行降額設(shè)計(jì)。