【选型】如何为小功率开关电源选择一款适用的防浪涌NTC

时间： 2021-03-25 来源：Amphenol Sensors

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图-1 防浪涌NTC（UL认证-UL1434 文件号E82830）

本文将根据安费诺传感器的防浪涌NTC的特性，针对两种典型的小功率开关电源工作方式，讲述为这类开关电源的应用如何选择一款适用的防浪涌NTC（如图-1）所示。

为什么需要防浪涌NTC？

在小功率的开关电源AC/DC的整流部分，由于二极管整流部分的导通电阻及输入线路本身电阻往往很小（20m~600m欧姆）[1]，即使计入滤波储能电容的等效串行电阻（ESR），如图-2示意图所示，在上电初始短时间内，尤其在交流峰值的时候，也将会在整流部分的电路中形成一个很大的浪涌电流。

图-2 防浪涌NTC在开关电源中的应用示意

在图-2（a）中，针对有效电压为220VAC的输入，如果电路的串行电阻为R，则上电瞬态的电流IR有如下公式：

标称的峰值电压约为311V。在不加入其它限流器件时，模拟的输出信号如下示意。其中的第一条蓝色曲线即为无限流而完全依赖于线路中器件阻值的情况下整流二极管内模拟大小输出。靠近600A的浪涌电流远超一般的整流二极管允许的正向峰值电流。

图-3 浪涌电流仿真—无限流

如果在电路中串入一个4欧姆的电阻，仿真看输出电流情况。很明显，浪涌电流被限制在了80A以下。如图-4所示。

图-4 浪涌电流仿真—有限流（无软启动及延时输出控制）

对浪涌电流有效抑制后，就可以选择峰值电流额度更小的整流器件等，从而降低成本并减少PCB面积，并且，适当增加稳态下电路的串行阻值Rs，还可以增加整流二极管的导通角，从而减少电流谐波成分比例[2]，某种程度地提高功率因数。采用这种方式构造方式的电源模块其功率因素φ大概在0.5~0.7之间（按照[2]中图1.6.4换算），功率小时对电网的影响并不明显。如果要提高功率因素，则需要添加扼流线圈或者其它主动式的PFC方式。

图-5 储能滤波电容/整流电路影响功率因素的脉冲电流仿真

对于微小功率开关电源的防浪涌应用，如果使用固定的功率电阻，那损耗是直接且明显的，而使用防浪涌NTC在不增加其它器件的情况下，虽然总体上会增加损耗，但是可以在完成限流之后随着温度上升后自动减小阻值，从而减少了部分电路损耗。

防浪涌NTC的布置如图-2中蓝色和黄色模块所示。

图-2（a）中所示的示意开关电源一般是针对特定区域的单一额定电压的应用。防浪涌NTC可以放置在图中所示的任意一个位置，也可以根据设计情况放置到过滤电路之前。

图-2（b）是针对全球各个区域使用不同额定电压电网的一种可以倍压的解决方案示意图。K1断开时为220~240VAC的应用，C1和C2为串列。K1闭合时，是为100~120VAC的电网使用，从而在倍压后将母线的电压保持在与高压输入时一样，保证了后续转换电路的统一设计。由于其中的滤波储能电容C1和C2是通过交替半个工频周期被单独充电，典型安装位置为图-2（b）中2个蓝色示意模块R_T所示。这种设置可以让两个限流NTC在100VAC的倍压设置（K1闭合）和220VAC（K1断开）两种电压下，都可以承受相近的电压及按照低压110VAC时供电的浪涌电流。如果将限流防浪涌NTC放到电桥的左侧，虽然只需要一个，但是NTC需承受220VAC时的浪涌电流。

如何选择防浪涌NTC？

●开始之前，我们先罗列一些关键参数：

●电路中最大允许浪涌电流I_Surge（A）

●最大稳态有效电流I_steady(A)

●额定输入电压V_RMS(V)，输入峰值电压V_peak(V)

●滤波储能电容Ce

●环温T_A(C)

●稳态下NTC的工作温度T_op(C)

●NTC的尺寸，NTC的热耗散常数,

●整流线路电阻Rc(ohm)，包括保险丝、扼流线圈内阻等

图-6 稳态下储能滤波电容的充放电及峰值纹波电压仿真—有限流

Step-1:

实际应用中，整流器件和滤波电容都会根据设计输出功率大小、输出电压、峰值电流、纹波电压峰峰值、额定输入电压、预估效率/功率因素等更早地备选好，而防浪涌NTC的作用就是保护其中对浪涌电流的影响最薄弱的一环，比如整流二极管的允许最大前向峰值电流等。0状态下上电，在输入电压峰值情况下，可以得到最大启动电流值。如果电路中还有其它串行限流电阻Rc则记入，否则，只计算Rs。

总的开机限流电阻：R=Rs+Rc；

其中：

● ，Vrms为交流电的有效电压，实际计算时应选择电网允许的最高值；

● K1为安全系数，小于1

o 浪涌电流被抑制，从而小于整流二极管的最大前向峰值电流。

o 保护快速熔断器

●所选防浪涌NTC的启动电阻不小于计算所得的Rc。

Step-2:

如果工作环温为T_A，根据设计要求的最大输出功率P，总体效率估值η，以及输入有效电压的最小值Vrms_min，估计的功率因素φ，可以推算出环境温度为TA下的满负载恒功率输出时的等效输入电流Ie：

由于电容充电脉冲高峰值电流的岐变，实际流经整流器件和NTC的电流应该属于比等效电流Ie更大的视在功率中的电流有效值I_rms。输入电压波形不变，由估算的功率因素φ得：

产品参数表中提供的是环温25C下的最大电流有效值。当环境温度T_A不一样，可以利用产品的降额使用的I_Derated根据经验公式推导降额前的器件工作有效电流I_steadymax：

我们把前面计算得到的I_rms当作温度T_A时降额使用的电流有效值I_Derated@TA，那么可以找到对应的25C标称下的对应热敏电阻最大稳态电流有效值I_Steadymax@25C：

在式-1中，如果环温在60C时，可以计算得到最大电流也只增加了约11%，所以在环温稍高于参考温度25C的情况下，可以直接把I@TA拿来核算I_rms也是可以的。但是在选择对应的电流参数时，考虑到安全系数，对该电流I_steadymax@25实际选择时仍然要乘以一个大于1的安全系数K2，让器件在工作中留有裕度：

Step-3:

产品参数表中提供了两个类型的额定交流电压，分别是120VAC和240VAC。所选防浪涌NTC的允许滤波电容值不应大于设计所选电容值。

根据当前所选的电容值，以及额定电压值Vrms，可以估算出所选的防浪涌NTC需要吸收并耐受多大的浪涌电能。参数表中提供了每一款产品在指定额定电压下的允许工作的最大吸收浪涌电能（图-7表格中黄色列所示）。由设计选择的Ce，以及我国使用的220VAC代入公式（2），可以估算最大允许的吸收能量W。计算所得的能量要小于所选项中的该列参数。

图-7 防浪涌NTC参数表（部分）

从step-1到step-3，我们可以根据满足以下三个参数进行器件选择了：

● 最小启动阻值Rc（留意阻值在T_A时不小于在step-1中所得的Rc）——阻值高一点，浪涌电流更小些

● 允许的额定有效电流——工作电流有效值大一点

● 最大吸收能量——浪涌能量吸收大一点

Step-4:

估算环温25C稳态工作情况下防浪涌NTC的阻值以及温度。

4-1．有两种方式对运行中的防浪涌NTC的阻值进行估算

● 查表：根据实际输入电流有效值Irms，以及选型产品的满量程时允许的最大电流有效值I_steady_max，得出负载比率后查表。

在图-7的表格中，部分数据示意如下表格：

0%表示无电流情况下的阻值；25%~100%表示流经器件的有效电流分别为25%~100%时的器件的阻值。

● 根据经验公式计算：根据实际输入电流有效值Iop_rms，由经验公式换算出当前的阻值。

其中Irms_op为实际输入有效电流；X和Y为图-7中的表格所示内容。每个型号对应一组参数。

4-2．根据获得阻值估算防浪涌NTC工作中的温度值T_op

● 在稳态工作条件下，器件的发热和产生的热量达到平衡，电流流经器件电阻发热和器件散热功率相等，因此有：

其中：

o δ表示防浪涌NTC的热耗散常数。

o T_op为要估算的工作时器件的温度

o R_steady为前一步估算的工作时的阻值

o I_rms_op为工作时的电流有效值

经转换后得出T_op：

如果T_op估算值超出我们预设值，从式-3可以看出，尝试更换一个具有更大热耗散常数的型号可以降低工作中NTC的温度值。当然，温度的控制更多要依赖于设计布局和工作冷却环境。我们的产品参数都是在静止不流动的空气环境下测得，实际应用时，如果有风冷等外设，则工况要优于表格参数[3]。

以上步骤无法替代实际验证。实际操作中，由于有很多不可控的因素，导致很多参数是估算所得，以上的步骤多作为初步参考。为此，用户可以购买每款包括多达32种当前广泛使用的防浪涌NTC产品组成的套件（A2130-NTC Inrush Current LimiterKit）进行验证测试再确定选择。

使用防浪涌NTC的注意事项

由于NTC在工作中温度上升之后就失去抑制浪涌电流的能力，因此，如果使用该器件的设备，在再次启动时，应该等待足够的时间直到该器件冷却到阻值可以进行再次抑制启动浪涌电流的时候。必要时可以考虑加入延时短接的方式，可以在一定程度上提高切换启动频率，但是仍然要避免短时间内频繁启动。

防浪涌NTC不能并联使用。由于是负温度系数，并联之后的器件阻值低的器件将流过更多的电流，将进一步促使该器件温度上升，阻值更为降低，最终导致器件的更早老化损坏。

由于本身为发热器件，温度在应用中会超出其它器件很多，因此PCB布局需要有意安排足够的距离和空间。

[1]电源设计基础，RobertA.Manmmano，辽宁科学技术出版社

[2]精通开关电源，KeithBillings, Taylor Morey，人民邮电出版社

[3]安费诺传感器Thermometrics防浪涌NTC

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