引言
隨著科技的發(fā)展和電子產(chǎn)品的普及,,現(xiàn)在越來越多的電子產(chǎn)品進(jìn)入了我們的生活??纱蠹以谑褂眠@些產(chǎn)品時,,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)品本來運行得好好的,,忽然在某一個雷電之后,,產(chǎn)品就一命嗚呼了,。
當(dāng)我們遇到這些情況時,也許會感覺到莫名其妙,?其實不然,,只能說這些產(chǎn)品設(shè)計不過關(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)品的簡單示意圖,。
圖1 產(chǎn)品電路的簡單示意圖
當(dāng)上電后,電源給負(fù)載供電,;當(dāng)出現(xiàn)異常時,,保險管能夠起到保護作用。
表面看起來,,該電路設(shè)計沒有問題,,可一旦遇到有較大的浪涌電壓(如暴雨天,強雷電)產(chǎn)生時,,該電路就暴露出了缺點,,會不斷地?zé)kU管,嚴(yán)重時可能導(dǎo)致負(fù)載也燒毀,。同時,,若負(fù)載是一個大的電解電容時,開機的瞬間大電流也會導(dǎo)致電路發(fā)生故障,。
那么,,應(yīng)該如何解決上面的問題呢?
浪涌
浪涌也叫突波,,是超出正常工作電壓的瞬間過電壓,。一般具有如下特性:
圖2 開路電源1.2/50us波形
圖3 短路電流8/20us波形
開路電壓1.2/50ms(見圖2)以及短路電流8/20ms(見圖3)。
通過上述波形不難看出,,浪涌具有產(chǎn)生時間短(ms級),、能量大、破壞力強的特點,。
在我們普通的家用產(chǎn)品上,,浪涌電壓的要求一般是差模1kV、共模2kV的標(biāo)準(zhǔn),。
設(shè)計浪涌抑制電路
為避免產(chǎn)品免受浪涌的襲擊,,我們需要在產(chǎn)品上設(shè)計浪涌印制電路。最好,、也是最直接的辦法,,就是希望出現(xiàn)浪涌電壓時,能夠通過某個渠道將其泄放掉,,不影響到負(fù)載的運行,。我們選擇壓敏電阻可以達(dá)到這一目的,。
圖4 增加壓敏電阻后的產(chǎn)品電路的簡單示意圖
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,,或者是電阻值對電壓敏感的電阻器,,簡寫為VAR。壓敏電阻器的電阻體材料是半導(dǎo)體,,所以它是半導(dǎo)體電阻器的一個品種,。壓敏電阻的最大特點是當(dāng)加在它上面的電壓低于它的閥值UN時,流過它的電流極小,,相當(dāng)于一個關(guān)死的閥門,;當(dāng)電壓超過UN時,流過它的電流激增,,相當(dāng)于閥門打開,。利用這一功能,可以抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常電壓,,保護電路免受過電壓的損害,。
設(shè)計上一般按照如下原則選取壓敏電阻:
Vun=(2-3)Vin;
比如,,對于220V的交流電,,一般選擇470V、560V或620V閥值電壓的壓敏電阻,,可根據(jù)保護電路的安全性來具體選擇,。
對于接有地線及需要保護更高級的電路,可以采用如圖5所示設(shè)計電路:當(dāng)然若想提到更高電壓的抑制電路,,可在地線之間的壓敏電阻間串聯(lián)一個放電管,。
圖5 更多重保護的產(chǎn)品電路的簡單示意圖
啟動沖擊
在越來越多的產(chǎn)品要求寬電壓、低功耗的時候,,開關(guān)電源由于其特有的高效率,、低功耗的優(yōu)勢,在產(chǎn)品中得到越來越多的應(yīng)用,??扇舨捎瞄_關(guān)電源就勢必會使用到電解電容器,而由于電解電容器的充電特性,,電壓不能發(fā)生突變,,因此啟動瞬間的啟動電流非常大,若不采取一定措施(如圖6),,會導(dǎo)致產(chǎn)品在啟動時啟動電流過大,,嚴(yán)重時會損壞產(chǎn)品。
圖6 未采取保護電路的開關(guān)電源電路示意圖
設(shè)計預(yù)防啟動沖擊
為了消除電解電容給我們帶來的大的沖擊電流,,工程上通常在電路中串接一個限流電阻,。這個電阻在啟動時能有效地抑制啟動電流,,但當(dāng)產(chǎn)品正常工作后,電阻一直處在工作狀態(tài),,會消耗一部分能量,。考慮到開關(guān)電源在低功耗方面的要求,,我們可將固定電阻改用NTC(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,,其本身的電阻會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,其達(dá)到一個熱平衡狀態(tài),。當(dāng)產(chǎn)品正常工作時,,NTC的阻值一般很小,這樣便達(dá)到了降低功耗的效果,。
圖7 增加NTC保護后開關(guān)電源示意圖
使用NTC作為啟動電流抑制器件時,,需要注意在產(chǎn)品斷電后,兩次啟動的時間間隔應(yīng)保證NTC能正常冷卻,,否則再次啟動的時候,,由于阻值未恢復(fù),其抑制啟動電流的能力會降低,。
NTC阻值的選取與需要抑制的啟動電流的大小有關(guān),,一般我們不選取5歐或10歐左右的NTC電阻。
在部分較為嚴(yán)苛的工業(yè)應(yīng)用場合,,對產(chǎn)品的可靠性和長時間運行的要求比較高,,在這種情況下要求產(chǎn)品能長時間穩(wěn)定運行。此時對于NTC,,可以采用繼電器旁路的設(shè)計方法,,在產(chǎn)品啟動后,用繼電器將熱敏電阻短路,。這種設(shè)計方法能更好地提高NTC的使用壽命,,同時可以給NTC充足的冷卻時間,保證其在下次啟動時抑制啟動電流的能力不會降低,。
結(jié)語
經(jīng)過以上一系列的改進(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沖擊的功能。