电子产品的浪涌及启动冲击电流抑制 - 全文

引言

随着科技的发展和电子产品的普及，现在越来越多的电子产品进入了我们的生活。可大家在使用这些产品时，肯定遇到了这样的一些尴尬事情：产品一上电，忽然一声砰响，然后是一股臭味，然后就是产品失效了。又或者是：产品本来运行得好好的，忽然在某一个雷电之后，产品就一命呜呼了。

当我们遇到这些情况时，也许会感觉到莫名其妙？其实不然，只能说这些产品设计不过关。那什么样的产品才算是合格的呢？

产品分析

图1是某一产品的简单示意图。

图1 产品电路的简单示意图

当上电后，电源给负载供电；当出现异常时，保险管能够起到保护作用。

表面看起来，该电路设计没有问题，可一旦遇到有较大的浪涌电压(如暴雨天，强雷电)产生时，该电路就暴露出了缺点，会不断地烧保险管，严重时可能导致负载也烧毁。同时，若负载是一个大的电解电容时，开机的瞬间大电流也会导致电路发生故障。

那么，应该如何解决上面的问题呢？

浪涌

浪涌也叫突波，是超出正常工作电压的瞬间过电压。一般具有如下特性：

图2 开路电源1.2/50us波形

图3 短路电流8/20us波形

开路电压1.2/50ms(见图2)以及短路电流8/20ms(见图3)。

通过上述波形不难看出，浪涌具有产生时间短(ms级)、能量大、破坏力强的特点。

在我们普通的家用产品上，浪涌电压的要求一般是差模1kV、共模2kV的标准。

设计浪涌抑制电路

为避免产品免受浪涌的袭击，我们需要在产品上设计浪涌印制电路。最好、也是最直接的办法，就是希望出现浪涌电压时，能够通过某个渠道将其泄放掉，不影响到负载的运行。我们选择压敏电阻可以达到这一目的。

图4 增加压敏电阻后的产品电路的简单示意图

压敏电阻是在一定电流电压范围内电阻值随电压而变的电阻，或者是电阻值对电压敏感的电阻器，简写为VAR。压敏电阻器的电阻体材料是半导体，所以它是半导体电阻器的一个品种。压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阀值UN时，流过它的电流极小，相当于一个关死的阀门；当电压超过UN时，流过它的电流激增，相当于阀门打开。利用这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常电压，保护电路免受过电压的损害。

设计上一般按照如下原则选取压敏电阻：

Vun=(2-3)Vin；

比如，对于220V的交流电，一般选择470V、560V或620V阀值电压的压敏电阻，可根据保护电路的安全性来具体选择。

对于接有地线及需要保护更高级的电路，可以采用如图5所示设计电路：当然若想提到更高电压的抑制电路，可在地线之间的压敏电阻间串联一个放电管。

图5 更多重保护的产品电路的简单示意图

启动冲击

在越来越多的产品要求宽电压、低功耗的时候，开关电源由于其特有的高效率、低功耗的优势，在产品中得到越来越多的应用。可若采用开关电源就势必会使用到电解电容器，而由于电解电容器的充电特性，电压不能发生突变，因此启动瞬间的启动电流非常大，若不采取一定措施（如图6），会导致产品在启动时启动电流过大，严重时会损坏产品。

图6 未采取保护电路的开关电源电路示意图

设计预防启动冲击

为了消除电解电容给我们带来的大的冲击电流，工程上通常在电路中串接一个限流电阻。这个电阻在启动时能有效地抑制启动电流，但当产品正常工作后，电阻一直处在工作状态，会消耗一部分能量。考虑到开关电源在低功耗方面的要求，我们可将固定电阻改用NTC（负温度系数热敏电阻）电阻替换。

NTC的特性是电阻值随温度的升高而变小。其串联接入电路中（如图7）后，在电源接通时，其本身的电阻会很好地限制电流的瞬间增大，随着其消耗功率，自身发热后电阻减小，直到正常工作时，其达到一个热平衡状态。当产品正常工作时，NTC的阻值一般很小，这样便达到了降低功耗的效果。

图7 增加NTC保护后开关电源示意图

使用NTC作为启动电流抑制器件时，需要注意在产品断电后，两次启动的时间间隔应保证NTC能正常冷却，否则再次启动的时候，由于阻值未恢复，其抑制启动电流的能力会降低。

NTC阻值的选取与需要抑制的启动电流的大小有关，一般我们不选取5欧或10欧左右的NTC电阻。

在部分较为严苛的工业应用场合，对产品的可靠性和长时间运行的要求比较高，在这种情况下要求产品能长时间稳定运行。此时对于NTC，可以采用继电器旁路的设计方法，在产品启动后，用继电器将热敏电阻短路。这种设计方法能更好地提高NTC的使用寿命，同时可以给NTC充足的冷却时间，保证其在下次启动时抑制启动电流的能力不会降低。

结语

经过以上一系列的改进，我们得到了图7所示的电路，该电路基本具备了抗浪涌以及抗启动冲击的功能。