熱敏電阻抑制浪涌電流設(shè)計(jì)

　　開機(jī)浪涌電流產(chǎn)生的原因

　　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。

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　　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。

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　　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。

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　　圖3 帶繼電器旁路電路的電源設(shè)計(jì)示意圖