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[導讀]前一段時間,我研究了下開關電源,當時有兩個問題也是沒搞明白,問題是關于NTC熱敏電阻與浪涌電流的。1、為啥小功率電源的NTC不用加繼電器,而大功率要加繼電器?僅僅是因為降低功耗提高效率嗎?2、小功率電源NTC不用考慮熱啟動嗎??下面給大家說一下我是如何找答案的。?問題背景為了照顧...

前一段時間,我研究了下開關電源,當時有兩個問題也是沒搞明白,問題是關于NTC熱敏電阻浪涌電流的。

1、為啥小功率電源的NTC不用加繼電器,而大功率要加繼電器?僅僅是因為降低功耗提高效率嗎?

2、小功率電源NTC不用考慮熱啟動嗎?

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下面給大家說一下我是如何找答案的

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問題背景

為了照顧下不是做電源的同學,我先簡單介紹下這個NTC是什么,干什么用的,這樣大家都能有得看。

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NTC是負溫度系數(shù)的熱敏電阻,就是溫度越高,阻值越低。


NTC熱敏電阻與浪涌電流,熱啟動不會失效?


NTC放在上面這個電路里面,作用就是限制開機時候的浪涌電流。

在開機之前,濾波電容是沒有電的,電容兩端電壓為0V。在開機的瞬間,電容2端的電壓不能突變,還是0V,相當于短路,同時二極管導通壓降也很小,所以壓降主要落在了NTC上面。

可以想象,如果回路中沒有NTC,那么這個電流是非常大的,或者NTC阻值很小,電流也會很大。


NTC熱敏電阻與浪涌電流,熱啟動不會失效?


在線路上面串聯(lián)一個NTC熱敏電阻,在開機之前,熱敏電阻溫度比較低,所以電阻比較大,可以很好限制開機時的浪涌電流。

開機之后,熱敏電阻溫度起來了,阻值比較低,也不至于產(chǎn)生過大的損耗。

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那么,為什么要抑制浪涌電流呢?

因為開機時,這個大的電流會流過二極管,如果電流過大的話,二極管可能會損壞,畢竟,整流二極管都是有一個參數(shù)叫IFSM,即允許通過的最大浪涌電流是有限制的。

IFSM就是下面這個參數(shù):


NTC熱敏電阻與浪涌電流,熱啟動不會失效?

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問題

那么,問題就來了:如果開機之后使用一段時間,然后立馬斷電再上電,這個時候熱敏電阻溫度還沒有降下去,阻值還是比較小的。

那豈不是熱敏電阻失去了原有的作用,浪涌電流還是很大?

我們以TDK的B57236S0509熱敏電阻為例子,如下圖,這是這個NTC溫度與阻值的曲線。


NTC熱敏電阻與浪涌電流,熱啟動不會失效?


在25℃時是5Ω,在75℃只有1.5Ω左右。

我們的電源通常是密封的,工作一段時間之后,如果散熱差的話,內部整體溫度是可能達到75℃的。

如果在25℃時抑制浪涌電流是合適的,那么在75℃時,很有可能就不能很好的抑制了。

當然,我這里說75℃只是舉個例子,實際溫度可高可低,我只是為了說明,溫度高了,熱敏電阻阻值會降低不少。

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我們先按照這個想法簡單計算一下:

世界各國市電最高的是240V,允許偏差范圍是±10%,那么最高電壓就是240*110%=264V。

這個電壓是有效值,那么峰值電壓是373V。開機之后的瞬間,電容相當于是短路,并且,如果開機時正好處于市電波峰或者波谷的時刻(市電為正弦波,波峰和波谷時電壓分別為±373V),那么這個373V會通過兩個二極管加到熱敏電阻NTC上面了。

如果是冷啟動(25℃),那么NTC熱敏電阻是5Ω,浪涌電流峰值就是 373V/5Ω=74.6A(粗糙計算,忽略二極管導通電壓)。

如果是熱啟動(75℃),那么熱敏電阻阻值為1.5Ω,浪涌電流峰值就是373V/1.5Ω=248.6A

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這兩個電流大不大呢?

實際應用中,我找到一個60W的開關電源(比如12V/5A輸出的)電路圖。


NTC熱敏電阻與浪涌電流,熱啟動不會失效?


圖中熱敏電阻選用5D-09(25℃時電阻就是5Ω),整流橋用的是KBL406。

查看整流橋KBL406的手冊,IFSM=120A,所以說浪涌電流要限制到120A。


NTC熱敏電阻與浪涌電流,熱啟動不會失效?


從前面算出,25℃冷啟動時電流峰值為74.6A,小于IFSM,所以是沒問題的。

但是75℃熱啟動的話,電流峰值就達到了248.6A,超過了IFSM。

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這么看的話,如果熱啟動的話,好像是有燒壞的風險。

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到底有風險嗎?

我上網(wǎng)查了查,發(fā)現(xiàn)個現(xiàn)象

大功率電源的NTC一般會加個繼電器,小功率不會。


NTC熱敏電阻與浪涌電流,熱啟動不會失效?


目的是開機電容充完電之后,將NTC短路掉,這樣NTC自己不會發(fā)熱,NTC會處于一個較低的溫度。這樣即使工作一段時間,掉電馬上開機,NTC的阻值也不會太小。

也就是說,大功率電源是有降低這個風險的。

不過加繼電器可能更多原因是為了降低NTC的損耗,為了提高效率。

但不管怎么說,大功率電源加了繼電器確實是降低了熱啟動的風險。

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問題是,為什么小功率電源不加繼電器?難道是后娘養(yǎng)的?

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大功率電源與小功率電源在電路上到底有上面區(qū)別呢?

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最大的區(qū)別是,功率大的電源,整流橋后面的電容容量更大,電容容量更大會有什么不同呢?

第一是,容量更大,那么電容的ESR會更小。

第二是,容量更大,那么電容充電到相同的電壓,電流相同的情況下,充電的時間更長。

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關于第一點,我們應該可以想到,前面的計算方法是不精確的,沒有考慮到電容的ESR,把電容當作是理想的來看。

那么我們現(xiàn)在把ESR補上。

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?????? 考慮電容ESR的影響

我們先要知道鋁電解電容的ESR情況,這個可以根據(jù)損耗正切值得到。

耐壓達到400V的鋁電解電容的損耗正切值,廠家一般只標注最大值,最大值一般是0.15,0.2或者是0.25,各家的有一些區(qū)別。

比如下圖是臺灣Leon的鋁電解電容,可以看到,400V耐壓的電容損耗正切值最大是0.24。

NTC熱敏電阻與浪涌電流,熱啟動不會失效?

當然,這個是最大值Max,電容實物可能達不到。

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我們根據(jù)損耗正切值可以求得電容的ESR值,方法也非常簡單。

損耗角正切值的定義是有功功率除以無功功率,因為電容等效為ESR和電容C串聯(lián)(此時頻率低,為120Hz,等效串聯(lián)電感可以忽略),功率等于電流的平方乘以阻抗,串聯(lián)電流是一樣的,所以功率之比就是阻抗之比。

下面是計算過程,就一個公式。


NTC熱敏電阻與浪涌電流,熱啟動不會失效?


我們求得120uF/400V的鋁電解電容的ESR是2.65Ω,當然,這個是可能出現(xiàn)的最大值,實物應該是比這個要小的,因為廠家給的損耗正切值是最大值。

雖說這個具體ESR值是多少,咱們也不知道,不過我們可以看到,這已經(jīng)比75℃時的NTC的阻值1.5Ω要大了。

至少能說明這個鋁電解電容的ESR已經(jīng)是相當可觀的了,不能忽略掉。

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如果假定就是2.65Ω,計算此時的浪涌電流是373V/(1.5 2.65)=89.87A,這個時候已經(jīng)比二極管的IFSM=120A要小了。

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當然了,實際鋁電解電容的ESR比2.65Ω要小,并且,這是在20℃時的值,溫度升高,鋁電解電容的ESR會降低,實際浪涌電流還是會大一些。

另外,不同牌子的鋁電解電容ESR也是不同的,如果選用損耗正切值最大是0.15的,那么最大ESR是1.66Ω,計算此時的浪涌電流是373/(1.5 1.66)=118A,這已經(jīng)很接近IFSM=120A了。

所以好像還是有風險。

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雖說沒到最終結果,但是我們現(xiàn)在應該知道這一點,在抑制浪涌電流這方面,鋁電解電容的ESR還是起了很大的作用。

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從電容手冊可以看到,相同耐壓下,最大損耗正切值一樣。

那么根據(jù)公式,鋁電解電容的ESR與容量成反比,而開關電源中我們實際使用的濾波電容容量大小與功率成正比。

10W使用22uF濾波電容,ESR最大是14.45Ω

60W使用120uF濾波電容,ESR最大是2.65Ω

600W使用1200uF濾波電容,ESR最大是0.265Ω

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所以也能看出,功率越大,所用的電容容量越大,那么ESR越小,對浪涌電流的抑制作用越小。

反之,功率越小,使用的電容容量越小,ESR越大,對浪涌電流的抑制作用越大。

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當然,這好像也不能說明什么。

因為功率小,我們會選用電流更小的二極管,二極管的IFSM也會更低,我們本就需要將浪涌電流限制到更低的水平。

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所以,還是說明不了為什么小功率電源的NTC不用繼電器,大功率電源的NTC要用繼電器。

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這時候我想起來了二極管的IFSM這個參數(shù)

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二極管IFSM再次解讀

IFSM的值是在某一測試條件下的值。

它指的是,給二極管通過半個正弦波的電流,允許通過的電流最大值就是IFSM值。

當然也指明了這個正弦波的頻率是50hz或者是60hz,對應的半波時間就是10ms和8.3ms。


NTC熱敏電阻與浪涌電流,熱啟動不會失效?


如果濾波電容較小,那么很容易想到,電容充電時間根本就不需要充8.3ms這么久。關于這一點,我簡單的做了個仿真。

假如是熱啟動,原本5Ω的NTC阻值變?yōu)?.5Ω,電解電容容量為120uFESR為R2=2.65Ω,當在市電正弦波為波峰時上電,LTspice仿真電路電路如下圖:


NTC熱敏電阻與浪涌電流,熱啟動不會失效?


輸入電壓與二極管D1的電流波形如下圖:


NTC熱敏電阻與浪涌電流,熱啟動不會失效?


可以看到,二極管的最高電流與前面的計算基本是一致的,373V/(1.5 2.65)=89.87A。

但是,電流的波形根本就不是IFSM的那種正弦波測試波形,而是很快下降的,并且持續(xù)的時間大概是1.5ms,比8.3ms與10ms小不少。

想想這個現(xiàn)象也正常。

根據(jù)電荷量Q=C*U=I*t,電容量限,以較大的電流去充電,電容的電壓可不就很快充上來了么?

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假如是大功率的電源,濾波電容是1000uF,那么電流沖擊如何呢?

我們僅僅將電容改成1000uf,其它參數(shù)不變(先暫時不管ESR的減?。?。仿真波形如下:


NTC熱敏電阻與浪涌電流,熱啟動不會失效?


可以看到,最高值還是不變的,接近90A,但是電流持續(xù)的時間變長了,大概是3.5ms

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盡管兩種情況的浪涌電流峰值是相同的,都接近于90A。但是在電容容量更大時,因為持續(xù)的時間更長,對二極管的沖擊肯定是更劇烈的。

可以想象,這兩種情況下,電流持續(xù)時間都是小于8.3ms的,那么對二極管的真實的熱沖擊,都是小于芯片手冊里面8.3ms的IFSM電流正弦波的沖擊的。

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這樣我們可以反過來想,在電容更小的時候,因為充電電流持續(xù)的時間更短,那浪涌電流峰值是不是可以超過IFSM也不會燒壞。

電容越小,是不是越可以通過更高的尖峰電流呢?

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那么,有沒有參數(shù)衡量能超過IFSM多少呢?

還真有,就是I2t。

但不是每個整流二極管都會標這個參數(shù)。

我找到了一個更為詳細的二極管的手冊,D75JFT80V。


NTC熱敏電阻與浪涌電流,熱啟動不會失效?


可看到,它有2個IFSM參數(shù)。

10ms(對應50Hz)時IFSM=400A

1ms時IFSM=1265A

也就是說如果浪涌電流是只持續(xù)1ms的正弦波形,那么可以扛住1265A,這是8.3ms的400A的3倍多。

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然后我們注意下二極管的I2t這個參數(shù),單位是A2S,電流的平方乘以時間。

這個I2t應該就是衡量二極管可通過電流與時間的關系的。這個二極管的I2t=800。

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其實,我們通過I2t=800,是可以推算出t=10ms和t=1ms的IFSM

在t=10ms的時候

I2t=(0.707*IFSM)^2*10ms=800,可求得10ms時的IFSM=400A。其中0.707是因為正弦波的有效值是峰值的0.707倍。

同理,t=1ms的時候

I2t=(0.707*IFSM)^2*1ms=800,可求得1ms時的IFSM=1265A。

從上圖可以看到,算出的這兩個參數(shù)都是和芯片手冊吻合的。

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從以上可以看出,如果通過電流的時間短,那么二極管可以通過最大電流峰值是可以更高的

這個D75JFT80V也給出了不同時間允許的電流曲線,如下圖:


NTC熱敏電阻與浪涌電流,熱啟動不會失效?

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根據(jù)這個方法,我們再來看看最開始說的60W那個電路,使用的是KBL406。


NTC熱敏電阻與浪涌電流,熱啟動不會失效?


KBL406的I2t=59.8

經(jīng)過仿真我們知道,電流持續(xù)時間大概是1.5ms(注意,如果不足1ms,也要用1ms計算,因為這個參數(shù)有要求,那就是1ms

根據(jù)I2t=(0.707*I)^2*1.5ms=59.8,我們得到I=282A。也就是說如果電流只流過1.5ms,那么這個整流橋可以扛過282A的電流。

從前面計算我們知道,即使是75℃熱啟動,使用ESR更低的電容(損耗正切值0.15),電流峰值可能會達到I=373/(1.66 1.5)=118A,這個也是不到282A的一半的,所以這個橋應該不會被浪涌電流損壞。

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好了,關于為什么小功率電源的NTC不用加繼電器,而大功率電源,一般要加繼電器。答案應該就有了。

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小功率電源的濾波電容容量小ESR大,對抑制浪涌尖峰有很好的作用 。如此同時,濾波電容小,浪涌持續(xù)的時間就短,實際二極管能扛過的浪涌電流更大,能超過芯片手冊里面的IFSM(8.3ms/10ms時)更多。所以即使是熱啟動,NTC的阻值比較低,浪涌電流大些,也不會燒壞。

反之,大功率電源的濾波電容容量大,ESR小,對抑制浪涌尖峰作用小,抑制浪涌尖峰對NTC的依賴更大。同時浪涌持續(xù)時間長,可能超過IFSM(8.3ms/10ms時)一點點就壞了,所以必須嚴格控制,不然就真的拔插下電源進行熱啟動整流二極管就壞了。

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以上就是我分析問題的過程,如有問題,請在“閱讀原文”留言區(qū)指出。



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