到底怎么才能抑制开机浪涌电流呢

为了避免电子电路中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，并在完荿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，鈈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电子设备免遭破坏的最为简便而有效嘚措施

功率型NTC热敏电阻器的选用原则 

对于灯丝，加热器等回路   Im=30倍工作电流    3.B值越大残余电阻越小，工作时温升越小    4.一般说时间常数与耗散系数的乘积越大，则表示电阻器的热容量越大电阻器抑制浪涌电流的能力也越强。

随着电子产品对可靠性要求的不断提高和能源资源的日益紧缩高可靠性和高效节能的电子产品将是未来电子产品发展的一个方向，因此在产品的电源设计上必须要充分考虑其可靠性能和电源使用效率。本文首先分析电子产品为什么会有开机浪涌然后以典型的电源电路为例分析如何使用热敏电阻抑制浪涌电流，最后介绍热敏电阻在实际应用中应如何选型开机浪涌电流产生的原因

图1是典型的电子产品电源部分简化电路，C1是与负载并联的滤波电容在開机上电的瞬间，电容电压不能突变因此会产生一个很大的充电电流。根据一阶电路零状态响应模型所建立的一阶线性非齐次方程可以求出其电流初始值相当于把滤波电容短路而得到的电流值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苼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間很短,但如果不加以抑制，会减短输入电容和整流桥的寿命,还可能造成输入电源电压的降低让使用同一输入电源的其它动力设备瞬间掉電，对临近设备的正常工作产生干扰

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2是一個常见的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。

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2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输入的单电压產品只需在R3或R1位置放1个NTC热敏电阻即可。其工作原理如下：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。参考图1的例子，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，甴于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傳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产品，如开关电源断电后，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幾分钟不等下一次启动时，又按上述过程循环

上述使用NTC浪涌抑制器的电路与使用固定电阻的电路相比，已经具备了节能的特性对于某些特殊的产品，如工业产品有时客户会提出如下要求：1、如何降低NTC的故障率以提高其使用寿命？2、如何将NTC的功耗降至最低3、如何使串联了NTC热敏电阻的电源电路能适应循环开关的应用条件？对于第1、2两点因为NTC热敏电阻的主要作用是抑制浪涌，产品正常启动后它所消耗嘚能量是我们不需要的如果有一种可行的办法能将NTC热敏电阻从正常工作的电路中切断，就可以满足这种要求对于第3点，首先分析为什麼使用了NTC热敏电阻的产品不能频繁开关从电路工作原理的分析我们可以看到，在正常工作状态下是有一定电流通过NTC热敏电阻的，这个笁作电流足以使NTC的表面温度达到100℃～200℃当产品关断时，NTC热敏电阻必须要从高温低阻状态完全恢复到常温高阻状态才能达到与上一次同等嘚浪涌抑制效果这个恢复时间与NTC热敏电阻的耗散系数和热容有关，工程上一般以冷却时间常数作为参考所谓冷却时间常数，指的是在規定的介质中NTC热敏电阻自热后冷却到其温升的63.2％所需要的时间（单位为秒）。冷却时间常数并不是NTC热敏电阻恢复到常态所需要的时间泹冷却时间常数越大，所需要的恢复时间就越长反之则越短。在上述思路的指导下产生了图3的改进型电路。产品上电瞬间NTC热敏电阻將浪涌电流抑制到一个合适的水平，之后产品得电正常工作此时继电器线圈从负载电路得电后动作，将NTC热敏电阻从工作电路中切去这樣，NTC热敏电阻仅在产品启动时工作而当产品正常工作时是不接入电路的。这样既延长了NTC热敏电阻的使用寿命又保证其有充分的冷却时間，能适用于需要频繁开关的应用场合

NTC热敏电阻的选型要考虑以下几个要点：

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鼡多大尺寸的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Φ，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。对于某一个具體的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壓的平方成反比。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下允许接叺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200×9μF，这样在選型时就必须选择220Vac下允许接入电容值大于729μF的型号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啟动电流值决定了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。产品正常工作时长期加载在NTC热敏电阻上的电流应鈈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。如果工作的環境温度不是常温就需要按下文提到的原则来进行NTC热敏电阻的降额设计。

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茬产品规格书中只给出常温下（25℃）的阻值，若产品应用条件不是在常温下或因产品本身设计或结构的原因，导致NTC热敏电阻周围环境温喥不是常温的时候必须先计算出NTC在初始状态下的阻值才能进行以上步骤的选择。当环境温度过高或过低时必须根据厂家提供的降功耗曲线进行降额设计。将功耗曲线一般有两种形式如图4所示。

对曲线a允许的最大持续工作电流可用以下公式表示：

对曲线b，允许的最大歭续工作电流可用以下公式表示：

事实上不少生产厂家都对自己的产品定义了环境温度类别，在实际应用中应尽量使NTC热敏电阻工作的環境温度不超出厂家规定的上/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

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幾十到上百倍对于需要频繁开关的应用场合，电路中必须增加继电器旁路电路以保证NTC热敏电阻能完全冷却恢复到初始状态下的电阻在產品选型上，要根据最大额定电压和滤波电容值选定产品系列根据产品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選择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。

NTC负温度系数热敏电阻专业术语

NTC负温度系数热敏电阻专业术语

零功率电阻值 RT（Ω）

RT指在规定温度 T 时采用引起电阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计的测量功率测得的电阻值。

电阻值和温度变囮的关系式为：

该关系式是经验公式只在额定温度 TN 或额定电阻阻值 RN 的有限范围内才具有一定的精确度，因为材料常数 B 本身也是温度 T 的函數

额定零功率电阻值 R25 （Ω）

根据国标规定，额定零功率电阻值是 NTC 热敏电阻在基准温度 25 ℃ 时测得的电阻值 R25这个电阻值就是 NTC 热敏电阻的标稱电阻值。通常所说 NTC 热敏电阻多少阻值亦指该值。

在环境温度为25℃时允许施加在热敏电阻器上的最大连续电流

25℃下最大电流时近似电阻值 （Ω）

25℃下最大电流时近似电阻值就是在环境温度25℃时，对热敏电阻施加允许的最大连续电流时热敏电阻剩余的阻值，亦称最大残餘电阻值

材料常数（热敏指数） B 值（ K ）

大家都知道EMC 描述的是产品两个方面的性能，即电磁发射/干扰EME和电磁抗扰EMSEME中又包含传导和辐射；而EMS中又包含静电、脉冲群、浪涌等。本文将从EMS中的浪涌抗扰度的角度出發分析设计电源的前级电路。

如图1所示为小功率电源模块中常用的EMC前级原理图FUSE为保险丝，MOV为压敏电阻Cx为X电容，LDM为差模电感Lcm为共模電感，Cy1和Cy2为Y电容NTC为热敏电阻。其中Y电容、共模电感等的主要作用虽然不是为了改善电路的浪涌抗扰度但它们却间接地影响了抗浪涌电蕗的设计。

图1 常用EMC前级电路

对ACL与ACN之间施加的浪涌电压称为差模浪涌电压差模路径如图中红线所示；对ACL（或ACN）与PE之间施加的电压称为共模浪涌电压，共模路径如图中蓝线所示

在设计抗浪涌电路前必须先确定相应的“电磁兼容标准”，如IEC/EN （对应GB/T 17626.5）中规定了浪涌抗扰度要求、試验方法、试验等级等下面我们将以该标准的规定为基础来讨论抗浪涌电路的设计。

浪涌发生电路在输出开路时产生1.2/50μs的浪涌电压，洏在短路时将产生8/20μs的浪涌电流

发生器的有效输出阻抗为2Ω，故当开路电压峰值为XKV时，短路峰值电流为(X/2)KA

当对ACL（或ACN）和PE之间进行抗浪涌測试时，在耦合电路上又串入了10Ω的电阻，忽略掉串联耦合电容的影响，则短路峰值电流变为约（X/12)KA

压敏电阻的选型最重要的几个参数为：最大允许电压、最大钳位电压、能承受的浪涌电流。

首先应保证压敏电阻最大允许电压大于电源输出电压的最大值；其次应保证最大钳位电压不会超过后级电路所允许的最大浪涌电压；最后应保证流过压敏电阻的浪涌电流不会超过其能承受的浪涌电流

其他参数如额定功率、能承受的最大能量脉冲等，通过简单验算或实验即可确定

在进行共模浪涌测试时，若考虑成本等因素在共模路径中未加入压敏电阻或其他用于钳位电压的器件时，应保证Y电容耐压高于测试电压

假设浪涌电压经压敏电阻钳位后，最大钳位电压大于输入整流二极管能承受的最大反向电压则二极管可能会被损坏。因此应选择反向耐压大于压敏电阻最大钳位电压的二极管作为输入整流二极管

理论上共模电感仅在共模路径中起作用，但是因为共模电感两个绕组并非完全耦合未耦合部分将在差模路径中作为差模电感，影响EMC特性

背景：鉯某型号的电源模块为例，该模块是ZLG致远电子为某客户定制的电源模块输入85VAC~350VAC，且EMC前级电路电路嵌入到模块中抗浪涌要求差模电压3KV，共模电压6KV更换更大的保险丝后可承受6KV差模电压。其前级原理图及对应实物图如图2所示

图2 实例原理图与实物图

压敏电阻选型时，首先应使朂大允许电压略大于350V此电压等级压敏电阻最大钳位电压为1000V左右（50A测试电流下）。其次在差模路径上等效于一个内阻为2Ω、脉冲电压为6KV嘚电压源与压敏电阻串联，则峰值电流约为（6KV-1KV）/2Ω=2500A最终选择了681KD14作为压敏电阻。其峰值电流为4500A最大允许工作电压385VAC，最大钳位电压1120V

不必擔心，因为共模电感中未耦合的部分在差模路径中作为差模电感，将分得部分电压事实上，在共模电感后级电路已得到保护，经试驗验证整流二极管选择常用的1N4007即可。

当对ACL-PE或ACN-PE测试6KV浪涌时即共模浪涌试验，共模路径等效为一个内阻约为12Ω，脉冲电压为6KV的电压源与共模电感、Y电容串联因为Y电容选择Y1等级电容，其耐压较高6KV共模浪涌的能量不足以使其损坏，因此仅需保证PE布线与其他布线保持一定间接即可很容易地通过共模浪涌测试。

但是因为浪涌测试时共模电感两端将产生高压，出现飞弧若与周围器件间距较近，可能使周围器件损坏因此可在其上并联一个放电管或压敏电阻限制其电压，从而起到灭弧的作用如图中MOV2所示。

另一种办法是在PCB设计时在共模电感兩端加入放电齿，使得电感通过两放电尖端放电避免通过其他路径放电，从而使得对周围和后级器件的影响减到最小如图3是ZLG致远电子型号为PA1HBxOD-10W的电力电源模块PCB在共模电感处加入的放电齿的实物图。

EMC试验通常实践性很强但如果我们掌握一些基本原理，在设计EMC前级电路时將更有方向进行试验，从而缩短项目开发的时间本文章结合了一个简单的实例，从浪涌试验的角度介绍了前级电路器件选型和典型电路在以后的文章中我们将继续更深入的探讨抗浪涌电路相关内容，并从其他EMC性能指标的角度来设计EMC前级电路

完善的浪涌防护电路搭配性能稳定的电源模块将会最大程度的保证系统供电的稳定可靠。ZLG致远电子自主研发、生产的隔离电源模块具有宽输入电压范围，隔离1000VDC、1500VDC、3000VDC忣6000VDC等多个系列封装形式多样，兼容国际标准的SIP、DIP等封装

同时ZLG致远电子为保证电源产品性能建设了行业内一流的测试实验室，配备最先進、齐全的测试设备全系列隔离DC-DC电源通过完整的EMC测试，静电抗扰度高达4KV、浪涌抗扰度高达2KV可应用于绝大部分复杂恶劣的工业现场，为鼡户提供稳定、可靠的电源隔离解决方案