電子產(chǎn)品的浪涌及啟動(dòng)沖擊電流抑制

引言

隨著科技的發(fā)展和電子產(chǎn)品的普及，現(xiàn)在越來(lái)越多的電子產(chǎn)品進(jìn)入了我們的生活。可大家在使用這些產(chǎn)品時(shí)，肯定遇到了這樣的一些尷尬事情：產(chǎn)品一上電，忽然一聲砰響，然后是一股臭味，然后就是產(chǎn)品失效了。又或者是：產(chǎn)品本來(lái)運(yùn)行得好好的，忽然在某一個(gè)雷電之后，產(chǎn)品就一命嗚呼了。

當(dāng)我們遇到這些情況時(shí)，也許會(huì)感覺(jué)到莫名其妙?其實(shí)不然，只能說(shuō)這些產(chǎn)品設(shè)計(jì)不過(guò)關(guān)。那什么樣的產(chǎn)品才算是合格的呢?

產(chǎn)品分析

圖1是某一產(chǎn)品的簡(jiǎn)單示意圖。當(dāng)上電后，電源給負(fù)載供電；當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，保險(xiǎn)管能夠起到保護(hù)作用。

表面看起來(lái)，該電路設(shè)計(jì)沒(méi)有問(wèn)題，可一旦遇到有較大的浪涌電壓(如暴雨天，強(qiáng)雷電)產(chǎn)生時(shí)，該電路就暴露出了缺點(diǎn)，會(huì)不斷地?zé)ｋU(xiǎn)管，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致負(fù)載也燒毀。同時(shí)，若負(fù)載是一個(gè)大的電解電容時(shí)，開(kāi)機(jī)的瞬間大電流也會(huì)導(dǎo)致電路發(fā)生故障。

那么，應(yīng)該如何解決上面的問(wèn)題呢?

浪涌

浪涌也叫突波，是超出正常工作電壓的瞬間過(guò)電壓。一般具有如下特件：

開(kāi)路電壓1.2／50gs(見(jiàn)圖2)以及短路電流8／20gs(見(jiàn)圖3)。

通過(guò)上述波形不難看出，浪涌具有產(chǎn)生時(shí)間短(“s級(jí))、能量大、破壞力強(qiáng)的特點(diǎn)。

在我們普通的家用產(chǎn)品上，浪涌電壓的要求一般是差模lkV、共模2kV的標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)浪涌抑制電路

為避免產(chǎn)品免受浪涌的襲擊，我們需要在產(chǎn)品上設(shè)計(jì)浪涌抑制電路。最好、也是最直接的方法，就是希望出現(xiàn)浪涌電壓時(shí)，能夠通過(guò)某個(gè)渠道將其泄放掉，不影響到負(fù)載的運(yùn)行。我們選擇壓敏電阻可以達(dá)到這一目的。

壓敏電阻是在一定電流電壓范圍內(nèi)電阻值隨電壓而變的電阻，或者是電阻值對(duì)電壓敏感的電阻器，簡(jiǎn)寫為VAR。壓敏電阻器的電阻體材料是半導(dǎo)體，所以它是半導(dǎo)體電阻器的一個(gè)品種。壓敏電阻的最大特點(diǎn)是當(dāng)加在它上面的電壓低于它的閥值UN時(shí)，流過(guò)它的電流極小，相當(dāng)于一個(gè)關(guān)死的閥門：當(dāng)電壓超過(guò)UN時(shí)，流過(guò)它的電流激增，相當(dāng)于閥門打開(kāi)。利用這一功能，可以抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常過(guò)電壓，保護(hù)電路免受過(guò)電壓的損害。

設(shè)計(jì)上一般按照如下原則選取壓敏電阻：

Vun=(2～3)Vin；

比如，對(duì)于220V的交流電，一般選擇470V、560V~620V閾值電壓的壓敏電阻，可根據(jù)保護(hù)電路的安全性來(lái)具體選擇。

對(duì)于接有地線以及需要保護(hù)更高級(jí)的電路，可以采用如圖5所示設(shè)計(jì)電路：當(dāng)然若想提到更高電壓的抑制電路，可在與地線之間的壓敏電阻間串聯(lián)一個(gè)放電管。

啟動(dòng)沖擊

在越來(lái)越多的產(chǎn)品要求寬電壓、低功耗的時(shí)候，開(kāi)關(guān)電源由于其特有的高效率、低功耗的優(yōu)勢(shì)，在產(chǎn)品中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。可若采用開(kāi)關(guān)電源就勢(shì)必會(huì)使用到電解電容器，而由于電解電容器的充電特性，電壓不能發(fā)生突變，因此啟動(dòng)瞬間的啟動(dòng)電流非常大，若不采取一定措施(如圖6)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品在啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流過(guò)大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞產(chǎn)品。

設(shè)計(jì)預(yù)防啟動(dòng)沖擊

為了消除電解電容給我們帶來(lái)的大的沖擊電流，工程上通常在電路中串接一個(gè)限流電阻。這個(gè)電阻在啟動(dòng)時(shí)能有效地抑制啟動(dòng)電流，但當(dāng)產(chǎn)品正常工作后，電阻一直處在工作狀態(tài)，會(huì)消耗一部分能量。考慮到開(kāi)關(guān)電源在低功耗方面的要求，我們可將固定電阻改用NTCf負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻)電阻替換。

NTC的特性是電阻值隨溫度的升高而變小。其串聯(lián)接入電路中(如圖7)后，在電源接通時(shí)，其本身的電阻會(huì)很好地限制電流的瞬間增大，隨著其消耗功率，自身發(fā)熱后電阻減小，直到正常工作時(shí)，其達(dá)到一個(gè)熱平衡狀態(tài)。當(dāng)產(chǎn)品正常工作時(shí)，NTC的阻值一般很小，這樣便達(dá)到了降低功耗的效果。

使用NTC作為啟動(dòng)電流抑制器件時(shí)，需要注意在產(chǎn)品斷電后，兩次啟動(dòng)的時(shí)間間隔應(yīng)保證NTC能正常冷卻，否則再次啟動(dòng)的時(shí)候，由于阻值未恢復(fù)，其抑制啟動(dòng)電流的能力會(huì)降低。

NTC阻值的選取與需要抑制的啟動(dòng)電流的大小有關(guān)，一般我們選取5Q或10Q左右的NTC電阻。

在部分較為嚴(yán)苛的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)產(chǎn)品的可靠性和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的要求比較高，在這種情況下要求產(chǎn)品能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。此時(shí)對(duì)于NTC，可以采用繼電器旁路的設(shè)計(jì)方法，在產(chǎn)品啟動(dòng)后，用繼電器將熱敏電阻短路。這種設(shè)計(jì)方法能更好地提高NTC的使用壽命，同時(shí)可以給NTC充足的冷卻時(shí)間，保證其在下次啟動(dòng)時(shí)抑制啟動(dòng)電流的能力不會(huì)降低。

結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上一系列的改進(jìn)，我們得到了圖7所示的電路，該電路基本具備了抗浪涌以及抗啟動(dòng)沖擊的功能。