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。

　　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

　　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熱敏電阻來說，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熱敏電阻來說，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)單來說，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)境溫度過高或過低時(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^于潮濕的環(huán)境會(huì)加速NTC熱敏電阻的老化。

　　結(jié)論

　　通過以上分析可以看出，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)。