浅析热敏电阻在开关电源中的应用

浅析热敏电阻在开关电源中的应用

李 君

民航山西空管分局 山西省太原市 030031

引言

甚高频系统是民航空管系统地空通信的主要设备，是机组与管制之间必不可少的通信手段。而大规模应用于民航空管通信中的PAE、R/S等设备随着服役年限日久，开关电源故障日益增多，本文针对PAE甚高频收发信机开机时电源故障进行简要分析研究。

热敏电阻在电路中的应用

为了避免开关电源在开机瞬间产生的浪涌电流，在电源电路中串接一个功率型NTC热敏电阻，能有效的抑制开机时的浪涌电流，并在完成浪涌电流抑制作用后，由于通过其电流的持续作用，功率型热敏电阻的阻值将下降的一个非常小的程度，它消耗的功率可以忽略不计，不会对正常的工作电流造成影响，所以在电源回路中使用功率型NTC热敏电阻，是抑制开机浪涌电流保护设备免遭破坏的最为简便而有效的措施（软启动）。

开机浪涌电流产生的原因 在开机上电的瞬间，电容电压不能突变，因此会产生一个很大的充电电流。这个电流就是我们常说的输入浪涌电流，它是在对滤波电容进行初始充电时产生的，其大小取决于启动上电时输入电压的幅值以及由桥式整流器和电解电容其所形成的回路的总电阻。假设输入电压V1为220Vac，整个电网内阻（含整流桥和滤波电容）Rs=1Ω,若正好在电源输入波形达到90度相位的时候开机，那么开机瞬间浪涌电流的峰值将达到I=220×1.414/1=311(A)。这个浪涌电流虽然时间很短,但如果不加以抑制，可能会让使用同一输入电源的其它动力设备瞬间掉电，对临近设备的正常工作产生干扰。

三、浪涌电流的抑制

浪涌电流的抑制方法有很多，一般中小功率电源中采用电阻限流的办法抑制开机浪涌电流。图1是一个常见的110V/220V双输入电源示意图，以此为例，我们分析一下如何使用NTC热敏电阻进行浪涌电流的抑制。

图1 110/220Vac双输入电源示意图

NTC热敏电阻，即负温度系数热敏电阻，其特性是电阻值随着温度的升高而呈非线性的下降。NTC在应用上一般分为测温热敏电阻和功率型热敏电阻，用于抑制浪涌的NTC热敏电阻指的就是功率型热敏电阻器。图1中R1~R4为热敏电阻浪涌抑制器通常放置的位置。对于同时兼容110Vac和220Vac输入的双电压输入产品，应该在R1和R2位置同时放两个NTC热敏电阻，这样可使在110Vac输入连接线连接时和220Vac输入连接线断开时的冲击电流大小一致，也可单独在R3或R4处放置一个NTC热敏电阻。对于只有220Vac输入的单电压产品，只需在R3或R1位置放1个NTC热敏电阻即可。 在常温下，NTC热敏电阻具有较高的电阻值（一般选用5Ω或10Ω），即标称零功率电阻值。串接10ΩNTC时，开机浪涌电流为：I=220×1.414/(1+10)= 28(A)，比未使用NTC热敏电阻时的311A降低了10倍，有效的起到了抑制浪涌电流的作用。开机后，由于NTC热敏电阻迅速发热、温度升高，其电阻值会在毫秒级的时间内迅速下降到一个很小的级别，一般只有零点几欧到几欧的大小，相对于传统的固定阻值限流电阻而言，这意味着电阻上的功耗因为阻值的下降随之降低了几十到上百倍，因此这种设计非常适合对转换效率和节能有较高要求的开关电源。断电后，NTC热敏电阻随着自身的冷却，电阻值会逐渐恢复到标称零功率电阻值，恢复时间需要几十秒到几分钟不等。下一次启动时，又按上述过程循环。

NTC热敏电阻的选型

NTC热敏电阻的选型要考虑以下几个要点： （1）最大额定电压和滤波电容值 滤波电容的大小决定了应该选用多大尺寸的NTC。对于某个尺寸的NTC热敏电阻来说，允许接入的滤波电容的大小是有严格要求的，这个值也与最大额定电压有关。在电源应用中，开机浪涌是因为电容充电产生的，因此通常用给定电压值下的允许接入的电容量来评估NTC热敏电阻承受浪涌电流的能力。（因为：浪涌电流，它是在对滤波电容进行初始充电时产生的，其大小取决于启动上电时输入电压的幅值以及由桥式整流器和电解电容其所形成的回路的总电阻）对于某一个具体的NTC热敏电阻来说，所能承受的最大能量已经确定了，根据一阶电路中电阻的能量消耗公式E=1/2×CV2可以看出，其允许的接入的电容值与额定电压的平方成反比。简单来说，就是输入电压越大，允许接入的最大电容值就越小，反之亦然。NTC热敏电阻产品的规范一般定义了在220Vac下允许接入的最大电容值。假设某应用条件最大额定电压是420Vac，滤波电容值为200μF，根据上述能量公式可以折算出在220Vac下的等效电容值应为200×4202/2202=729μF，这样在选型时就必须选择220Vac下允许接入电容值大于729μF的型号。 （2）产品允许的最大启动电流值和长期加载在NTC热敏电阻上的工作电流 电子产品允许的最大启动电流值决定了NTC热敏电阻的阻值。假设电源额定输入为220Vac，内阻为1Ω，允许的最大启动电流为60A，那么选取的NTC在初始状态下的最小阻值为Rmin=(220×1.414/60)-1=4.2(Ω)。至此，满足条件的NTC热敏电阻一般会有一个或多个，此时再按下面的方法进行选择。设备正常工作时，长期加载在NTC热敏电阻上的电流应不大于规格书规定的电流。根据这个原则可以从阻值大于4.2Ω的多个电阻中挑选出一个适合的阻值。当然这指的是在常温情况下。如果工作的环境温度不是常温，就需要按下面提到的原则来进行NTC热敏电阻的降额设计。

五、NTC热敏电阻的工作环境 由于NTC热敏电阻受环境温度影响较大，一般只给出常温下（25℃）的阻值，若应用条件不是在常温下，或因本身设计或结构的原因，导致NTC热敏电阻周围环境温度不是常温的时候，必须先计算出NTC在初始状态下的阻值。在实际应用中，应尽量使NTC热敏电阻工作的环境温度不超出规定的上/下限温度。同时，应注意不要使其工作在潮湿的环境中，因为过于潮湿的环境会加速NTC热敏电阻的老化。 六、结论 通过以上分析可以看出，在电源设计中使用NTC热敏电阻型浪涌抑制器，其抑制浪涌电流的能力与普通电阻相当，而在电阻上的功耗则可降低几十到上百倍。在选型上，要根据最大额定电压和滤波电容值选定，根据设备允许的最大启动电流值和长时间加载在NTC热敏电阻上的工作电流来选择NTC热敏电阻的阻值，同时要考虑工作环境的温度，适当进行降额设计。