开关电源中NTC的选取

NTC负温度系数热敏电阻专业术语零功率电阻值 RT（） RT指在规定温度 T 时，采用引起电阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽视不计的测量功率测得的电阻值。 电阻值和温度变化的关系式为： RT = RN expB(1/T 1/TN) RT ：在温度 T （ K ）时的 NTC 热敏电阻阻值。 RN ：在额定温度 TN （ K ）时的 NTC 热敏电阻阻值。 T ：规定温度（ K ）。 B ： NTC 热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数。 exp ：以自然数 e 为底的指数（ e = 2.71828 ）。 该关系式是经验公式，只在额定温度 TN 或额定电阻阻值 RN 的有限范畴内才具有一定的精确度，由于材料常数 B 自身也是温度 T 的函数。 额定零功率电阻值 R25 （） 根据国标规定，额定零功率电阻值是 NTC 热敏电阻在基准温度 25 时测得的电阻值 R25，这个电阻值就是 NTC 热敏电阻的标称电阻值。一般所说 NTC 热敏电阻多少阻值，亦指该值。 材料常数（热敏指数） B 值（ K ） B 值被定义为：RT1 ：温度 T1 （ K ）时的零功率电阻值。 RT2 ：温度 T2 （ K ）时的零功率电阻值。 T1， T2 ：两个被指定的温度（ K ）。 对于常用的 NTC 热敏电阻， B 值范畴一般在 K 6000K 之间。零功率电阻温度系数（T ） 在规定温度下， NTC 热敏电阻零动功率电阻值的相对变化与引起该变化的温度变化值之比值。 T ：温度 T （ K ）时的零功率电阻温度系数。 RT ：温度 T （ K ）时的零功率电阻值。 T ：温度（ T ）。 B ：材料常数。 耗散系数（） 在规定环境温度下， NTC 热敏电阻耗散系数是电阻中耗散的功率变化与电阻体相应的温度变化之比值。： NTC 热敏电阻耗散系数，（ mW/ K ）。 P ： NTC 热敏电阻消耗的功率（ mW ）。 T ： NTC 热敏电阻消耗功率 P 时，电阻体相应的温度变化（ K ）。 热时间常数() 在零功率条件下，当温度突变时，热敏电阻的温度变化了始未两个温度差的 63.2% 时所需的时间，热时间常数与 NTC 热敏电阻的热容量成正比，与其耗散系数成反比。：热时间常数（ S ）。 C： NTC 热敏电阻的热容量。 ： NTC 热敏电阻的耗散系数。 额定功率Pn在规定的技术条件下，热敏电阻器长期持续工作所容许消耗的功率。在此功率下，电阻体自身温度不超过其最高工作温度。最高工作温度Tmax在规定的技术条件下，热敏电阻器能长期持续工作所容许的最高温度。即:T0-环境温度。测量功率Pm热敏电阻在规定的环境温度下， 阻体受测量电流加热引起的阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽视不计时所消耗的功率。 一般规定阻值变化不小于0.1%，则这时的测量功率Pm为：电阻温度特性NTC热敏电阻的温度特性可用下式近似表达：式中：RT：温度T时零功率电阻值。A：与热敏电阻器材料物理特性及几何尺寸有关的系数。B：B值。T：温度（k）。 更精确的体现式为：式中：RT：热敏电阻器在温度T时的零功率电阻值。T：为绝对温度值，K；A、B、C、D：为特定的常数。热敏电阻的基本特性 电阻温度特性热敏电阻的电阻温度特性可近似地用式1表达。(式1) R=Ro exp B(I/T-I/To)R: 温度T(K)时的电阻值Ro: 温度T0(K)时的电阻值B: B 值*T(K)= t(C)+273.15但事实上，热敏电阻的B值并非是恒定的，其变化大小因材料构成而异，最大甚至可达5K/C。因此在较大的温度范畴内应用式1时，将与实测值之间存在一定误差。此处，若将式1中的B值用式2所示的作为温度的函数计算时，则可减少与实测值之间的误差，可觉得近似相等。(式2) BT=CT2+DT+E上式中，C、D、E为常数。此外，因生产条件不同导致的B值的波动会引起常数E发生变化，但常数C、D 不变。因此，在探讨B值的波动量时，只需考虑常数E即可。 常数C、D、E的计算常数C、D、E可由4点的(温度、电阻值)数据 (T0, R0). (T1, R1). (T2, R2) and (T3, R3)，通过式36计算。一方面由式样3根据T0和T1,T2,T3的电阻值求出B1,B2,B3,然后裔入如下各式样。 电阻值计算例试根据电阻温度特性表，求25C时的电阻值为5(k)，B值偏差为50(K)的热敏电阻在10C30C的电阻值。 步 骤(1) 根据电阻温度特性表，求常数C、D、E。To=25+273.15T1=10+273.15T2=20+273.15T3=30+273.15 (2) 代入BT=CT2+DT+E+50，求BT。(3) 将数值代入R=5exp (BTI/T-I/298.15)，求R。*T : 10+273.1530+273.15 电阻温度特性图如图1所示电阻温度系数所谓电阻温度系数()，是指在任意温度下温度变化1C(K)时的零负载电阻变化率。电阻温度系数()与B值的关系，可将式1微分得到。这里前的负号()，表达当温度上升时零负载电阻减少。散热系数 (JIS-C2570)散热系数()是指在热平衡状态下，热敏电阻元件通过自身发热使其温度上升1C时所需的功率。在热平衡状态下，热敏电阻的温度T1、环境温度T2及消耗功率P之间关系如下式所示。产品目录记载值为下列测定条件下的典型值。(1) 25C静止空气中。 (2) 轴向引脚、经向引脚型在出厂状态下测定。 额定功率(JIS-C2570)在额定环境温度下，可持续负载运营的功率最大值。产品目录记载值是以25C为额定环境温度、由下式计算出的值。(式) 额定功率=散热系数（最高使用温度25） 最大运营功率最大运营功率=t散热系数 (3.3)这是使用热敏电阻进行温度检测或温度补偿时，自身发热产生的温度上升容许值所相应功率。(JIS中未定义。)容许温度上升tC时，最大运营功率可由下式计算。应环境温度变化的热响应时间常数(JIS-C2570)指在零负载状态下，当热敏电阻的环境温度发生急剧变化时，热敏电阻元件产生最初温度与最后温度两者温度差的63.2%的温度变化所需的时间。热敏电阻的环境温度从T1变为T2时，通过时间t与热敏电阻的温度T之间存在如下关系。T=(T1-T2)exp(-t/)+T2.(3.1)(T2-T1)1-exp(-t/)+T1.(3.2)常数称热响应时间常数。上式中，若令t=时，则(T-T1)/(T2-T1)=0.632。 换言之，如上面的定义所述，热敏电阻产生初始温度差63.2%的温度变化所需的时间即为热响应时间常数。通过时间与热敏电阻温度变化率的关系如下表所示。产品目录记录值为下列测定条件下的典型值。 (1) 静止空气中环境温度从50C至25C变化时，热敏电阻的温度变化至34.2C所需时间。(2) 轴向引脚、径向引脚型在出厂状态下测定。此外应注意，散热系数、热响应时间常数随环境温度、组装条件而变化。 NTC负温度系数热敏电阻R-T特性B 值相似， 阻值不同的 R-T 特性曲线示意图相似阻值，不同B值的NTC热敏电阻R-T特性曲线示意图 温度测量、控制用NTC热敏电阻器外形构造环氧封装系列NTC热敏电阻玻璃封装系列NTC热敏电阻应用电路原理图温度测量（惠斯登电桥电路）温度控制应用设计 电子温度计、电子万年历、电子钟温度显示、电子礼物； 冷暖设备、加热恒温电器； 汽车电子温度测控电路； 温度传感器、温度仪表； 医疗电子设备、电子盥洗设备； 手机电池及充电电器。 温度补偿用NTC热敏电阻器 产品概述 许多半导体和ICs有温度系数并且规定温度补偿，以在较大的温度范畴中达到稳定性能的作用，由于NTC热敏电阻器有较高的温度系数，因此广泛应用于温度补偿。 重要参数 额定零功率电阻值R25 ()R25容许偏差（%）B值(25/50 )/（K）时间常数 30S耗散系数 6mW/ 测量功率 0.1mW额定功率 0.5W使用温度范畴 -55 +125 降功耗曲线： 应用原理及实例 为了避免电子电路中在开机瞬间产生的浪涌电流，在电源电路中串接一种功率型NTC热敏电阻，能有效的克制开机时的浪涌电流，并在完毕浪涌电流克制作用后，由于通过其电流的持续作用，功率型热敏电阻的阻值将下降的一种非常小的限度，它消耗的功率可以忽视不计，不会对正常的工作电流导致影响，因此在电源回路中使用功率型NTC热敏电阻，是克制开机浪涌电流保护电子设备免遭破坏的最为简便而有效的措施。功率型NTC热敏电阻器的选用原则 1.电阻器的最大工作电流实际电源回路的工作电流 2.功率型电阻器的标称电阻值 R1.414*E/Im 式中 E为线路电压 Im为浪涌电流 对于转换电源，逆变电源，开关电源，UPS电源， Im=100倍工作电流 对于灯丝，加热器等回路 Im=30倍工作电流 3.B值越大，残存电阻越小，工作时温升越小 4.一般说，时间常数与耗散系数的乘积越大，则表达电阻器的热容量越大，电阻器克制浪涌电流的能力也越强。功率型NTC热敏电阻，重要应用于开关电源,UPS,大功率电子产品的开机防浪涌 MF72功率型NTC热敏电阻MF73大功率型NTC热敏电阻MF74超大功率型NTC热敏电阻变频器储能电容充电保护用0.1A11A2A32A10A36ANTC防浪涌热敏电阻下图为使用MF72热敏电阻前后浪涌电流得比较曲线图，虚线为使用热敏电阻前，实线为使用热敏电阻后。随着电子产品对可靠性规定的不断提高和能源资源的日益紧缩，高可靠性和高效节能的电子产品将是将来电子产品发展的一种方向，因此在产品的电源设计上，必须要充足考虑其可靠性能和电源使用效率。本文一方面分析电子产品为什么会有开机浪涌，然后以典型的电源电路为例分析如何使用热敏电阻克制浪涌电流，最后简介热敏电阻在实际应用中应如何选型。开机浪涌电流产生的因素图1是典型的电子产品电源部分简化电路，C1是与负载并联的滤波电容。在开机上电的瞬间，电容电压不能突变，因此会产生一种很大的充电电流。根据一阶电路零状态响应模型所建立的一阶线性非齐次方程可以求出其电流初始值相称于把滤波电容短路而得到的电流值。这个电流就是我们常说的输入浪涌电流，它是在对滤波电容进行初始充电时产生的，其大小取决于启动上电时输入电压的幅值以及由桥式整流器和电解电容其所形成的回路的总电阻。图1 电源示意图假设输入电压V1为220Vac，整个电网内阻（含整流桥和滤波电容）Rs=1,若正好在电源输入波形达到90度相位的时候开机，那么开机瞬间浪涌电流的峰值将达到I=2201.414/1=311(A)。这个浪涌电流虽然时间很短,但如果不加以克制，会减短输入电容和整流桥的寿命,还也许导致输入电源电压的减少，让使用同一输入电源的其他动力设备瞬间掉电，对临近设备的正常工作产生干扰。浪涌电流的克制浪涌电流的克制措施有诸多，一般中小功率电源中采用电阻限流的措施克制开机浪涌电流。图2是一种常用的110V/220V双输入电源示意图，以此为例，我们分析一下如何使用NTC热敏电阻进行浪涌电流的克制。图2 110/220Vac双输入电源示意图NTC热敏电阻，即负温度系数热敏电阻，其特性是电阻值随着温度的升高而呈非线性的下降。NTC在应用上一般分为测温热敏电阻和功率型热敏电阻，用于克制浪涌的NTC热敏电阻指的就是功率型热敏电阻器。图2中R1R4为热敏电阻浪涌克制器一般放置的位置。对于同步兼容110Vac和220Vac输入的双电压输入产品，应当在R1和R2位置同步放两个NTC热敏电阻，这样可使在110Vac输入连接线连接时和220Vac输入连接线断开时的冲击电流大小一致，也可单独在R3或R4处放置一种NTC热敏电阻。对于只有220Vac输入的单电压产品，只需在R3或R1位置放1个NTC热敏电阻即可。其工作原理如下：在常温下，NTC热敏电阻具有较高的电阻值（一般选用5或10），即标称零功率电阻值。参照图1的例子，串接10NTC时，开机浪涌电流为：I=2201.414/(1+10)= 28(A)，比未使用NTC热敏电阻时的311A减少了10倍，有效的起到了克制浪涌电流的作用。开机后，由于NTC热敏电阻迅速发热、温度升高，其电阻值会在毫秒级的时间内迅速下降到一种很小的级别，一般只有零点几欧到几欧的大小，相对于老式的固定阻值限流电阻而言，这意味着电阻上的功耗由于阻值的下降随之减少了几十到上百倍，因此这种设计非常适合对转换效率和节能有较高规定的产品，如开关电源。断电后，NTC热敏电阻随着自身的冷却，电阻值会逐渐恢复到标称零功率电阻值，恢复时间需要几十秒到几分钟不等。下一次启动时，又按上述过程循环。改善型电源设计上述使用NTC浪涌克制器的电路与使用固定电阻的电路相比，已经具有了节能的特性。对于某些特殊的产品，如工业产品，有时客户会提出如下规定：1、如何减少NTC的故障率以提高其使用寿命？2、如何将NTC的功耗降至最低？3、如何使串联了NTC热敏电阻的电源电路能适应循环开关的应用条件？对于第1、2两点，由于NTC热敏电阻的重要作用是克制浪涌，产品正常启动后它所消耗的能量是我们不需要的，如果有一种可行的措施能将NTC热敏电阻从正常工作的电路中切断，就可以满足这种规定。对于第3点，一方面分析为什么使用了NTC热敏电阻的产品不能频繁开关。从电路工作原理的分析我们可以看到，在正常工作状态下，是有一定电流通过NTC热敏电阻的，这个工作电流足以使NTC的表面温度达到100200。当产品关断时，NTC热敏电阻必须要从高温低阻状态完全恢复到常温高阻状态才干达到与上一次同等的浪涌克制效果。这个恢复时间与NTC热敏电阻的耗散系数和热容有关，工程上一般以冷却时间常数作为参照。所谓冷却时间常数，指的是在规定的介质中，NTC热敏电阻自热后冷却到其温升的63.2所需要的时间（单位为秒）。冷却时间常数并不是NTC热敏电阻恢复到常态所需要的时间，但冷却时间常数越大，所需要的恢复时间就越长，反之则越短。在上述思路的指引下，产生了图3的改善型电路。产品上电瞬间，NTC热敏电阻将浪涌电流克制到一种合适的水平，之后产品得电正常工作，此时继电器线圈从负载电路得电后动作，将NTC热敏电阻从工作电路中切去。这样，NTC热敏电阻仅在产品启动时工作，而当产品正常工作时是不接入电路的。这样既延长了NTC热敏电阻的使用寿命，又保证其有充足的冷却时间，能合用于需要频繁开关的应用场合。图3 带继电器旁路电路的电源设计示意图NTC热敏电阻的选型NTC热敏电阻的选型要考虑如下几种要点：最大额定电压和滤波电容值滤波电容的大小决定了应当选用多大尺寸的NTC。对于某个尺寸的NTC热敏电阻来说，容许接入的滤波电容的大小是有严格规定的，这个值也与最大额定电压有关。在电源应用中，开机浪涌是由于电容充电产生的，因此一般用给定电压值下的容许接入的电容量来评估NTC热敏电阻承受浪涌电流的能力。对于某一种具体的NTC热敏电阻来说，所能承受的最大能量已经拟定了，根据一阶电路中电阻的能量消耗公式E=1/2CV2可以看出，其容许的接入的电容值与额定电压的平方成反比。简朴来说，就是输入电压越大，容许接入的最大电容值就越小，反之亦然。NTC热敏电阻产品的规范一般定义了在220Vac下容许接入的最大电容值。假设某应用条件最大额定电压是420Vac，滤波电容值为200F，根据上述能量公式可以折算出在220Vac下的等效电容值应为2004202/2202=729F，这样在选型时就必须选择220Vac下容许接入电容值不小于729F的型号。产品容许的最大启动电流值和长期加载在NTC热敏电阻上的工作电流电子产品容许的最大启动电流值决定了NTC热敏电阻的阻值。假设电源额定输入为220Vac，内阻为1，容许的最大启动电流为60A，那么选用的NTC在初始状态下的最小阻值为Rmin=(2201.414/60)-1=4.2()。至此，满足条件的NTC热敏电阻一般会有一种或多种，此时再按下面的措施进行选择。产品正常工作时，长期加载在NTC热敏电阻上的电流应不不小于规格书规定的电流。根据这个原则可以从阻值不小于4.2的多种电阻中挑选出一种适合的阻值。固然这指的是在常温状况下。如果工作的环境温度不是常温，就需要按下文提到的原则来进行NTC热敏电阻的降额设计。NTC热敏电阻的工作环境由于NTC热敏电阻受环境温度影响较大，一般在产品规格书中只给出常温下（25）的阻值，若产品应用条件不是在常温下，或因产品自身设计或构造的因素，导致NTC热敏电阻周边环境温度不是常温的时候，必须先计算出NTC在初始状态下的阻值才干进行以上环节的选择。当环境温度过高或过低时，必须根据厂家提供的降功耗曲线进行降额设计。将功耗曲线一般有两种形式，如图4所示。图4 降功耗曲线对曲线a，容许的最大持续工作电流可用如下公式表达：对曲线b，容许的最大持续工作电流可用如下公式表达：事实上，不少生产厂家都对自己的产品定义了环境温度类别，在实际应用中，应尽量使NTC热敏电阻工作的环境温度不超过厂家规定的上/下限温度。同步，应注意不要使其工作在潮湿的环境中，由于过于潮湿的环境会加速NTC热敏电阻的老化。如何改善NTC热敏电阻的产品不能频繁开关的问题为什么使用了NTC热敏电阻的产品不能频繁开关?下面是她们的简要分析与改善。简要分析我们可以在电路工作原理的分析中看到，有使用到NTC热敏电阻的产品，在正常工作状态下，是有一定电流通过NTC热敏电阻的，这个工作电流足以使NTC的表面温度达到100200。当产品关断时，NTC热敏电阻必须要从高温低阻状态完全恢复到常温高阻状态才干达到与上一次同等的浪涌克制效果。这个恢复时间与NTC热敏电阻的耗散系数和热容有关，工程上一般以冷却时间常数作为参照。所谓冷却时间常数，指的是在规定的介质中，NTC热敏电阻自热后冷却到其温升的63.2所需要的时间（单位为秒）。冷却时间常数并不是NTC热敏电阻恢复到常态所需要的时间，但冷却时间常数越大，所需要的恢复时间就越长，反之则越短。如何改善在上述思路的指引下，产品上电瞬间，NTC热敏电阻将浪涌电流克制到一种合适的水平，之后产品得电正常工作，此时继电器线圈从负载电路得电后动作，将NTC热敏电阻从工作电路中切去。这样，NTC热敏电阻仅在产品启动时工作，而当产品正常工作时是不接入电路的。这样既延长了NTC热敏电阻的使用寿命，又保证其有充足的冷却时间，能合用于需要频繁开关的应用场合。通过以上分析可以看出，对于需要频繁开关的应用场合，电路中必须增长继电器旁路电路以保证NTC热敏电阻能完全冷却恢复到初始状态下的电阻。在产品选型上，要根据最大额定电压和滤波电容值选定产品系列，根据产品容许的最大启动电流值和长时间加载在NTC热敏电阻上的工作电流来选择NTC热敏电阻的阻值，同步要考虑工作环境的温度，合适进行降额设计。结论通过以上分析可以看出，在电源设计中使用NTC热敏电阻型浪涌克制器，其克制浪涌电流的能力与一般电阻相称，而在电阻上的功耗则可减少几十到上百倍。对于需要频繁开关的应用场合，电路中必须增长继电器旁路电路以保证NTC热敏电阻能完全冷却恢复到初始状态下的电阻。在产品选型上，要根据最大额定电压和滤波电容值选定产品系列，根据产品容许的最大启动电流值和长时间加载在NTC热敏电阻上的工作电流来选择NTC热敏电阻的阻值，同步要考虑工作环境的温度，合适进行降额设计。 功率型NTC热敏电阻的选型三要素最大额定电压和滤波电容值产品容许的最大启动电流值和长期加载在NTC热敏电阻上的工作电流NTC热敏电阻的工作环境一方面看最大额定电压和滤波电容值滤波电容的大小决定了应当选用多大尺寸的NTC。对于某个尺寸的NTC热敏电阻来说，容许接入的滤波电容的大小是有严格规定的，这个值也与最大额定电压有关。在电源应用中，开机浪涌是由于电容充电产生的，因此一般用给定电压值下的容许接入的电容量来评估NTC热敏电阻承受浪涌电流的能力。对于某一种具体的NTC热敏电阻来说，所能承受的最大能量已经拟定了，根据一阶电路中电阻的能量消耗公式E=1/2CV2可以看出，其容许的接入的电容值与额定电压的平方成反比。简朴来说，就是输入电压越大，容许接入的最大电容值就越小，反之亦然。另一方面产品容许的最大启动电流值和长期加载在NTC热敏电阻上的工作电流电子产品容许的最大启动电流值决定了NTC热敏电阻的阻值。假设电源额定输入为220Vac，内阻为1，容许的最大启动电流为60A，那么选用的NTC在初始状态下的最小阻值为Rmin=(2201.414/60)-1=4.2()。至此，满足条件的NTC热敏电阻一般会有一种或多种，再按下面的措施进行选择。产品正常工作时，长期加载在NTC热敏电阻上的电流应不不小于规格书规定的电流。根据这个原则可以从阻值不小于4.2的多种电阻中挑选出一种适合的阻值。固然这指的是在常温状况下。如果工作的环境温度不是常温，就需要按下文提到的原则来进行NTC热敏电阻的降额设计。最后是NTC热敏电阻的工作环境由于NTC热敏电阻受环境温度影响较大，一般在产品规格书中只给出常温下（25）的阻值，若产品应用条件不是在常温下，或因产品自身设计或构造的因素，导致NTC热敏电阻周边环境温度不是常温的时候，必须先计算出NTC在初始状态下的阻值才干进行以上环节的选择。当环境温度过高或过低时，必须根据厂家提供的降功耗曲线进行降额设计。事实上，不少生产厂家都对自己的产品定义了环境温度类别，在实际应用中，应尽量使NTC热敏电阻工作的环境温度不超过厂家规定的上/下限温度。同步，应注意不要使其工作在潮湿的环境中，由于过于潮湿的环境会加速NTC热敏电阻的老化。 下图为MF72-3D25的R-T阻温特性曲线