改进型电源设计 - 热敏电阻型浪涌抑制器在电源设计中的应用

　　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的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，首先分析为什么使用了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，这个工作电流足以使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的浪涌抑制效果。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，指的是在规定的介质中，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，但冷却时间常数越大，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热敏电阻将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。这样，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间，能适用于需要频繁开关的应用场合。

　　图3 带继电器旁路电路的电源设计示意图

　　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：

　　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。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。

　　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。

　　产品正常工作时，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，一般在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度不是常温的时候，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。

　　图4 降功耗曲线

　　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，允许的最大持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热敏电阻工作的环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几十到上百倍。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。在产品选型上，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。