最透彻的分析！NTC热敏电阻与浪涌电流，热启动不会失效？

前段时间研究了下开关电源，当时不明白两个问题。

问题是关于NTC热敏电阻和浪涌电流的。

1.为什么小功率电源NTC不加继电器，大功率加继电器？仅仅是因为降低功耗和提高效率吗？

2.小功率电源NTC不考虑热启动吗？

让我们告诉你我是怎么找到答案的？。

问题背景

为了照顾不做电源的学生，我先简单介绍一下这个NTC是什么，用什么，让大家都能看到。

NTC是负温度系数的热敏电阻，就是温度越高，阻值越低。

NTC放在上面的电路里，功能是启动时限制浪涌电流。

启动前，滤波电容器无电，电容器两端电压为0V。在开机的瞬间，电容2端的电压不能突变，还是0V，相当于短路，二极管导通压降也很小，所以压降主要落在NTC上面。

如果回路中没有，可以想象NTC，那么这个电流是非常大的，或者NTC电阻小，电流大。

串联路上串联一个NTC热敏电阻，在启动前，热敏电阻温度相对较低，因此电阻相对较大，可以很好地限制启动时的浪涌电流。

启动后，热敏电阻温度升高，电阻值较低，不会造成过度损耗。

那为什么要抑制浪涌电流呢？

因为当启动时，大电流会流过二极管，如果电流过大，二极管可能会损坏，毕竟，整流二极管是一个参数叫IFSM，允许通过的最大浪涌电流是有限的。

IFSM以下参数：

问题

然后问题来了。

开机后使用一段时间，然后立即断电再上电，此时热敏电阻温度还没有下降，电阻值还是比较小的。

热敏电阻不是失去了原来的功能，浪涌电流还是很大的吗？

我们以TDK的B57236S0509以热敏电阻为例，如下图所示NTC温度和阻值的曲线。

在25℃时是5Ω，在75℃只有1.5Ω左右。

我们的电源通常是密封的。工作一段时间后，如果散热不良，内部整体温度可能达到75℃的。

如果在25℃在75岁时抑制浪涌电流是合适的℃很有可能抑制不好。

当然，我在这里说75℃例如，实际温度可以高也可以低。我只是想解释一下，如果温度高，热敏电阻值会降低很多。

先简单计算一下这个想法:

世界上最高的市电是240V，允许偏差范围为±10%的最高电压是240*110%=264V。

峰值电压为373V。在启动后的瞬间，电容相当于短路，如果在市电波峰或谷（市电为正弦波，峰谷电压分别为±373V），那么这个373V热敏电阻将通过两个二极管加入NTC上面了。

若为冷启动(25)℃），那么NTC热敏电阻是5Ω，浪涌电流峰值为 373V/5Ω=74.6A(粗略计算，忽略二极管导电压)。

若为热启动(75)℃），热敏电阻值为1.5Ω，浪涌电流峰值为373V/1.5Ω=248.6A

这两个电流大吗？

在实际应用中，我找到了一个60W开关电源(如12V/5A输出)电路图。

图中选择热敏电阻5D-09（25℃时电阻就是5Ω），用于整流桥KBL406。

查看整流桥KBL406的手册，IFSM=120A，因此，浪涌电流应限制到120A。

从前面算出，25℃冷启动时电流峰值为74.6A，小于IFSM，所以没问题。

但是75℃热启动时，电流峰值达到248.6A，超过了IFSM。

如果热启动，似乎有烧毁的风险。

有风险吗？

我在网上查了一下，发现个现象：

大功率电源NTC一般会加继电器，小功率不会。

目的是在充电后启动电容器NTC短路掉，这样NTC不会发烧，NTC会处于一个较低的温度。这样即使工作一段时间，掉电马上开机，NTC电阻不会太小。

也就是说，大功率电源有降低这种风险的风险。

然而，添加继电器的原因可能更多NTC为了提高效率。

但无论如何，大功率电源和继电器确实降低了热启动的风险。

问题是为什么小功率电源不加继电器？是后娘养的吗？

电路上大功率电源和小功率电源有上述区别吗？

最大的区别是电源大，整流桥后面电容量大，更大的电容有什么区别？

第一，容量更大，所以电容ESR会更小。

二是容量较大，电容充电到相同电压，电流相同，充电时间较长。

我们应该能够想到第一点，前面的计算方法是不精确的，没有考虑到电容的ESR，以电容为理想。

那我们现在就把吧ESR补上。

考虑电容ESR的影响

首先要知道铝电解电容ESR根据损失的正切值，可以得到这种情况。

耐压达到400V铝电解电容器损耗正切值，厂家一般只标注最大值，最大值一般为0.15，0.2或者是0.每个家庭都有一些区别。

比如下图是台湾Leon铝电解电容电解电容，400V耐压电容损失的最大正切值为0.24。

当然，这是最大值Max，实物电容可能达不到。

我们电容器可以根据损失的正切值获得ESR值，方法也很简单。

由于电容等效，损耗角正切值的定义是有功功率除以无功功率ESR与电容C串联(此时频率低，为120Hz，等效串联电感可以忽略)，功率等于电流的平方乘以阻抗，串联电流相同，因此功率比为阻抗比。

以下是计算过程，只有一个公式。

我们求得120uF/400V铝电解电容器ESR是2.65Ω，当然，这是可能的最大值，实物应该比这个小，因为厂家给出的损失正切值是最大值。

虽说这个具体ESR我们不知道它值多少，但我们可以看到它已经比75好了℃时的NTC的阻值1.5Ω要大了。

至少可以解释这个铝电解电容ESR已经相当可观了，不能忽视。

假设是2.65Ω，此时的浪涌电流是373V/(1.5 2.65)=89.87A，这个时候已经比二极管好了。IFSM=120A要小了。

当然，实际的铝电解电容器ESR比2.65Ω而且，这是在20年，℃当温度升高时，铝电解电容器ESR会降低，实际浪涌电流会更大。

此外，不同品牌的铝电解电容器ESR也是同的，如果选用损耗正切值最大是0.15的，那么最大ESR是1.66Ω，计算此时的浪涌电流是373/(1.5+1.66)=118A，这已经很接近IFSM=120A了。

所以好像还是有风险。

 

虽说没到最终结果，但是我们现在应该知道这一点，在抑制浪涌电流这方面，铝电解电容的ESR还是起了很大的作用。

 

从电容手册可以看到，相同耐压下，最大损耗正切值一样。

那么根据公式，铝电解电容的ESR与容量成反比，而开关电源中我们实际使用的滤波电容容量大小与功率成正比。

10W使用22uF滤波电容，ESR最大是14.45Ω

60W使用120uF滤波电容，ESR最大是2.65Ω

600W使用1200uF滤波电容，ESR最大是0.265Ω

 

所以也能看出，功率越大，所用的电容容量越大，那么ESR越小，对浪涌电流的抑制作用越小。

反之，功率越小，使用的电容容量越小，ESR越大，对浪涌电流的抑制作用越大。

 

当然，这好像也不能说明什么。

因为功率小，我们会选用电流更小的二极管，二极管的IFSM也会更低，我们本就需要将浪涌电流限制到更低的水平。

 

所以，还是说明不了为什么小功率电源的NTC不用继电器，大功率电源的NTC要用继电器。

 

这时候我想起来了二极管的IFSM这个参数。

 

二极管IFSM再次解读

IFSM的值是在某一测试条件下的值。

它指的是，给二极管通过半个正弦波的电流，允许通过的电流最大值就是IFSM值。

当然也指明了这个正弦波的频率是50hz或者是60hz，对应的半波时间就是10ms和8.3ms。

如果滤波电容较小，那么很容易想到，电容充电时间根本就不需要充8.3ms这么久。关于这一点，我简单的做了个仿真。

假如是热启动，原本5Ω的NTC阻值变为1.5Ω，电解电容容量为120uF，ESR为R2=2.65Ω，当在市电正弦波为波峰时上电，LTspice仿真电路电路如下图

输入电压与二极管D1的电流波形如下图：

可以看到，二极管的最高电流与前面的计算基本是一致的，373V/(1.5+2.65)=89.87A。

但是电流的波形根本就不是IFSM的那种正弦波测试波形，而是很快下降的，并且持续的时间大概是1.5ms，比8.3ms与10ms小不少。

想想这个现象也正常。

根据电荷量Q=C*U=I*t，电容量限，以较大的电流去充电，电容的电压可不就很快充上来了么？

 

假如是大功率的电源，滤波电容是1000uF，那么电流冲击如何呢？

我们仅仅将电容改成1000uf，其它参数不变（先暂时不管ESR的减小）。仿真波形如下

可以看到，最高值还是不变的，接近90A，但是电流持续的时间变长了，大概是3.5ms

 

尽管两种情况的浪涌电流峰值是相同的，都接近于90A。但是在电容容量更大时，因为持续的时间更长，对二极管的冲击肯定是更剧烈的。

可以想象，这两种情况下，电流持续时间都是小于8.3ms的，那么对二极管的真实的热冲击，都是小于芯片手册里面8.3ms的IFSM电流正弦波的冲击的。

 

这样我们可以反过来想，在电容更小的时候，因为充电电流持续的时间更短，那浪涌电流峰值是不是可以超过IFSM也不会烧坏。

电容越小，是不是越可以通过更高的尖峰电流呢？

 

那有没有参数衡量能超过IFSM多少呢？

还真有，就是I2t。

但不是每个整流二极管都会标这个参数。

我找到了一个更为详细的二极管的手册，D75JFT80V。

可看到，它有2个IFSM参数。

10ms(对应50Hz)时IFSM=400A

1ms时IFSM=1265A

也就是说如果浪涌电流是只持续1ms的正弦波形，那么可以扛住1265A，这是8.3ms的400A的3倍多。

 

然后我们注意下二极管的I2t这个参数，单位是A2S，电流的平方乘以时间。

这个I2t应该就是衡量二极管可通过电流与时间的关系的。这个二极管的I2t=800。

 

其实，我们通过I2t=800，是可以推算出t=10ms和t=1ms的IFSM的

在t=10ms的时候

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

同理，t=1ms的时候

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

从上图可以看到，算出的这两个参数都是和芯片手册吻合的。

 

从以上可以看出，如果通过电流的时间短，那么二极管可以通过最大电流峰值是可以更高的。

这个D75JFT80V也给出了不同时间允许的电流曲线，如下图：

 

根据这个方法，我们再来看看最开始说的60W那个电路，使用的是KBL406。

KBL406的I2t=59.8

经过仿真我们知道，电流持续时间大概是1.5ms（注意，如果不足1ms，也要用1ms计算，因为这个参数有要求，那就是1ms

根据I2t=(0.707*I)^2*1.5ms=59.8，我们得到I=282A。也就是说如果电流只流过1.5ms，那么这个整流桥可以扛过282A的电流。

从前面计算我们知道，即使是75℃热启动，使用ESR更低的电容（损耗正切值0.15），电流峰值可能会达到I=373/(1.66+1.5)=118A，这个也是不到282A的一半的，所以这个桥应该不会被浪涌电流损坏。

 

好了，关于为什么小功率电源的NTC不用加继电器，而大功率电源，一般要加继电器。答案应该就有了。

 

小功率电源的滤波电容容量小，ESR大，对抑制浪涌尖峰有很好的作用 。如此同时，滤波电容小，浪涌持续的时间就短，实际二极管能扛过的浪涌电流更大，能超过芯片手册里面的IFSM（8.3ms/10ms时）更多。所以即使是热启动，NTC的阻值比较低，浪涌电流大些，也不会烧坏。

反之，大功率电源的滤波电容容量大，ESR小，对抑制浪涌尖峰作用小，抑制浪涌尖峰对NTC的依赖更大。同时浪涌持续时间长，可能超过IFSM（8.3ms/10ms时）一点点就坏了，所以必须严格控制，不然就真的拔插下电源进行热启动整流二极管就坏了

 

以上就是我分析问题的过程，如有问题，请在底部留言区指出。

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