前段時間研究開關電源，有兩個問題沒弄明白。
問題是關于 NTC 熱敏電阻值與浪涌電壓的關系。
1、為什么小功率電源的NTC不需要加保險絲，而大功率的NTC需要加保險絲？ 僅僅是因為提高幀率來提高效率嗎？
2、小功率電源的NTC不需要考慮熱啟動嗎？
讓我告訴你我是如何找到答案的。
問題背景
為了照顧不是電源的朋友，我簡單介紹一下這個NTC是什么，是干什么用的，讓大家看看。
NTC是負溫度系數(shù)的熱內(nèi)阻，即溫度越高，內(nèi)阻越低。
NTC放在前級電路上，作用是限制開機時的浪涌電壓。
開機前，混頻電容沒有電，電容兩端電流為0V。 剛開機，電容2端電流不能突變，還是0V，相當于漏電流。 同時三極管的導通壓降也很小，所以壓降主要落在NTC的前面。
可以想象，如果電路中沒有NTC，電壓會很大，或者NTC電阻小，電壓也會很大。
在線路上串聯(lián)一個NTC熱敏電阻內(nèi)阻。 開機前，熱敏電阻內(nèi)阻的溫度比較低，所以內(nèi)阻比較大，可以很好的限制開機時的浪涌電壓。
開機后，熱敏電阻內(nèi)阻溫度升高，阻值相對較低，不會造成過大的損耗。
那么為什么要抑制浪涌電壓呢？
啟動時，這個大電壓會流過晶閘管。 如果電壓過大，晶閘管可能會損壞。 雖然，檢測晶閘管有一個參數(shù)叫IFSM，就是允許通過的最大浪涌電壓是有限制的。
IFSM 是以下參數(shù)：
問題
問題來了。
如果開機后使用一段時間，然后立即關斷電源再開機，此時熱敏電阻內(nèi)阻的溫度還沒有下降，阻值還是比較小的。
那豈不是熱內(nèi)阻失去了原有的作用，浪涌電壓還是很大的？
我們以TDK的熱內(nèi)阻為例，如右圖所示，就是這個NTC的溫度與阻值的曲線。
它在 25°C 時為 5Ω，在 75°C 時僅為 1.5Ω 左右。
我們的電源一般都是密封的。 工作一段時間后，如果散熱不佳，整體內(nèi)部水溫可能達到75℃。
如果在 25°C 時適合抑制浪涌電壓，則在 75°C 時可能無法很好地抑制它。
其實我這里說的75°C只是一個反例。 實際溫度可高可低。 我只是想說明一下，當溫度高的時候，熱敏電阻的內(nèi)阻會下降很多。
我們根據(jù)這個觀點做一個簡單的估算：
世界上最高市電為240V，允許誤差范圍為±10%，所以最高電流為240*110%=264V。
這個電流是一個有效值，所以峰值電流是373V。 剛開機，電容就相當于有漏電流。 但是，如果啟動時間剛好在市電的波峰或波谷（市電是正弦波，波峰電流和波谷電流分別為±373V），那么這個373V會通過兩個晶閘管加到熱內(nèi)部電阻NTC。
如果是冷啟動（25℃），則NTC熱敏電阻內(nèi)阻為5Ω，浪涌電壓峰值為373V/5Ω=74.6A（粗略估計，忽略三極管的導通電流）。
如果是熱啟動（75℃），熱敏電阻內(nèi)阻為1.5Ω，浪涌電壓峰值為373V/1.5Ω=248.6A
這兩個電壓有多大？
在實際應用中，找了一張60W開關電源的電路圖（比如12V/5A輸出）。
圖中熱內(nèi)阻為5D-09（25℃時內(nèi)阻為5Ω），檢測電橋為5D-09。
檢查檢測電橋的準則，IFSM=120A，因此浪涌電壓應限制在120A。
從后面計算，25℃冷啟動時的峰值電壓為74.6A，大于IFSM，所以沒有問題。
但如果在75℃熱啟動，峰值電壓達到248.6A，超過了IFSM。
這樣看，好像熱啟動有燒壞的風險。
那有風險嗎？
上網(wǎng)查了一下，發(fā)現(xiàn)了這個現(xiàn)象：
大功率電源的NTC一般都會加保險絲，小功率電源的NTC則沒有。
目的是在boot電容充滿電后給NTC放電，這樣NTC本身就不會發(fā)熱，NTC處于較低的溫度。 這樣雖然工作了一段時間，但斷電后會立即導通，NTC的阻值也不會太小。
換句話說，大功率電源會增加這種風險。
但是加個保險絲可能更有動力增加NTC的消耗，提高效率。
但無論如何，在大功率電源上加保險絲確實會增加熱啟動的風險。
問題來了，為什么小功率電源沒有保險絲呢？ 難道是后媽養(yǎng)的？
大功率電源和小功率電源在電路中有什么區(qū)別？
最大的區(qū)別就是大功率電源，檢測電橋旁邊的電容更大，電容容量有什么區(qū)別？
首先是容量越大，電容的ESR越小。
二是容量更大電流過大自動斷電，使電容器充電到相同的電流和電壓，充電時間更長。
關于第一點，我們應該可以認為上面的估算方法是不準確的，沒有考慮電容的ESR，把電容當成理想的。
所以我們現(xiàn)在組成 ESR。
考慮電容器 ESR 的影響
我們首先要知道鋁電解電容的ESR，根據(jù)損耗的余弦值可以得到。
對于耐壓為400V的鋁電解電容的損耗余弦值，廠家通常只標明最大值。 最大值通常為0.15、0.2或0.25，各公司有一定差異。
比如右圖就是日本Leon的鋁電解電容。 可見400V耐壓電容損耗的最大余弦值為0.24。
其實這是最大值Max，實際的電容不一定能達到。
我們可以根據(jù)損耗余弦值得到電容的ESR值，方法很簡單。
損耗角余弦值的定義是有功功率乘以無功功率。 由于電容等效為ESR和電容C串聯(lián)（此時頻率較低，120Hz，等效串聯(lián)電感可以忽略不計），功率等于電壓的平方除以，串聯(lián)電壓相同，所以功率之比就是阻抗之比。
下面是估算過程，只是一個公式。
我們發(fā)現(xiàn)120uF/400V鋁電解電容的ESR為2.65Ω。 事實上，這是最大可能值。 實際產(chǎn)品應該比這個小，因為廠家給的loss的余弦值是最大值。
雖然不知道具體的ESR值，但可以看出，它已經(jīng)大于NTC在75℃時的阻值，即1.5Ω。
至少可以說明這個鋁電解電容的ESR已經(jīng)相當可觀，不容忽視。
如果假設為2.65Ω，估計此時的浪涌電壓為373V/(1.5+2.65)=89.87A，已經(jīng)小于三極管此時的IFSM=120A。
實際上，實際鋁電解電容的ESR小于2.65Ω，這是20°C時的值。 當溫度下降時，鋁電解電容的ESR會升高，實際浪涌電壓仍會較大。
另外，不同品牌的鋁電解電容的ESR也不同。 如果最大損耗余弦值為 0.15，則最大 ESR 為 1.66Ω。 估計此時的浪涌電壓為373/(1.5+1.66)=118A，已經(jīng)很接近IFSM=120A了。
所以似乎還是有風險的。
雖然目前還沒有最終結果，但我們現(xiàn)在應該知道了，但是鋁電解電容的ESR對于抑制浪涌電壓的作用還是很大的。
從電容指南可以看出，在相同的耐壓下，最大損耗余弦值是相同的。
根據(jù)公式，鋁電解電容的ESR與容量成正比，而我們在開關電源中實際使用的混頻電容的容量與功率成反比。
10W使用22uF混頻電容，最大ESR為14.45Ω
60W使用120uF混頻電容，最大ESR為2.65Ω
600W使用檢測電容，最大ESR為0.265Ω
因此也可以看出，功率越大，所用電容的??容量就越大，因此ESR越小，對浪涌電壓的抑制作用就越小。
反之，功率越小，所用電容容量越小，ESR越大，對浪涌電壓的抑制作用越大。
其實這似乎并不能說明什么。
由于功率小，我們會使用電壓較低的晶閘管，晶閘管的IFSM會較低，我們需要將浪涌電壓限制在較低的水平。
所以還是不能解釋為什么小功率電源的NTC不用保險絲，而大功率電源的NTC要用保險絲。
這時候想上晶閘管的IFSM參數(shù)。
晶閘管IFSM再分析
IFSM 的值是在一定的測試條件下的值。
是指通過半個正弦波到三極管的電壓，最大允許電壓為IFSM值。
其實也表示正弦波的頻率為50hz或60hz，對應的半波時間為10ms和8.3ms。
如果混頻電容小，很容易認為電容的充電時間只要8.3ms就不需要充電了。 關于這一點，我簡單做了一個模擬。
如果是熱啟動，之前的5Ω NTC電阻變?yōu)?.5Ω，電解電容容量為120uF，ESR為R2=2.65Ω。 當市電正弦波處于峰值時，仿真電路如右圖所示。
三極管D1的輸入電流和電壓波形如右圖所示：
可以看出晶閘管的最高電壓與后面的估算基本一致，373V/(1.5+2.65)=89.87A。
但是電壓的波形根本不是IFSM的正弦波測試波形，而是快速增加，但持續(xù)時間大約為1.5ms，遠小于8.3ms和10ms。
想想也是正常的。
根據(jù)充電量Q=C*U=I*t，電容器的容量是有限的，如果用更高的電壓充電，電容器的電流會很快被充上去？
如果是大功率電源，混頻電容是，那電壓影響呢？
我們只將電容改為 ，其他參數(shù)不變（暫且忽略ESR的降低）。仿真波形如下
可以看到最高值保持不變，接近90A，但是電壓的持續(xù)時間變長了，大約3.5ms
盡管兩種情況下浪涌電壓的峰值相同，但都接近 90A。 并且電容越大，持續(xù)時間越長，對晶閘管的沖擊必然越嚴重。
可以想象，在這兩種情況下，電壓持續(xù)時間都大于8.3ms，因此真正對晶閘管的熱沖擊大于8.3ms IFSM電壓正弦波對芯片導的影響。
這樣，我們可以反過來想，當電容越小，由于充電電壓持續(xù)時間越短，浪涌電壓的峰值是否可以超過IFSM而不會燒壞。
電容越小，能通過的峰值電壓就越高？
有沒有可以超越IFSM的參數(shù)判斷？
真的有，就是I2t。
但并不是每一個檢測晶閘管都會同時標注這個參數(shù)。
我找到了更詳盡的晶閘管指南，。
可以看出它有2個IFSM參數(shù)。
IFSM=400A at 10ms (對應50Hz)
IFSM=1265A 在 1ms
也就是說，如果浪涌電壓是僅持續(xù)1ms的余弦波形，則可承受1265A，是8.3ms時400A的3倍多。
然后我們注意晶閘管的I2t參數(shù)，單位是A2S，電壓除以時間的平方。
這個I2t應該用來判斷晶閘管可以通過的電壓與時間的關系。 這個三極管的I2t=800。
雖然，我們可以通過 I2t=800 推斷出 t=10ms 和 t=1ms 的 IFSM
當 t=10ms
I2t=(0.707*IFSM)^2*10ms=800，可以得到10ms時IFSM=400A。 其中 0.707 是由于正弦波的均方根值是峰值的 0.707 倍。
同樣，當 t=1ms
I2t=(0.707*IFSM)^2*1ms=800, IFSM=1265A at 1ms即可得到。
從上圖可以看出，計算出的兩個參數(shù)與芯片指南是一致的。
由上可見，電壓通過的時間越短，晶閘管可以通過的最大電壓峰值就越高。
這樣也給出了不同時間允許的電壓曲線，如右圖：
這樣我們就來看看開頭提到的60W電路，使用.
I2t=59.8
通過仿真得知，電壓持續(xù)時間大約為1.5ms（注意小于1ms要按1ms估算，因為這個參數(shù)是有要求的，就是1ms
根據(jù)I2t=(0.707*I)^2*1.5ms=59.8，可得I=282A。 也就是說，如果電壓只流過1.5ms，那么檢測電橋可以承受282A的電壓。
由回測可知，雖然是75℃熱啟動，但使用ESR較低的電容（損耗余弦值0.15）電流過大自動斷電，峰值電壓可能達到I=373/(1.66+1.5)=118A，小于 282A 的一半，因此電橋不應被浪涌電壓損壞。
好了，關于為什么小功率電源的NTC不需要加保險絲，而大功率電源通常需要加保險絲。 答案應該在那里。
小功率電源的混頻電容容量小，ESR大，對抑制浪涌尖峰非常有效。 同時混頻電容小，浪涌持續(xù)時間短，實際晶閘管所能承受的浪涌電壓更大，可以超過芯片指南上的IFSM（8.3ms/10ms）。 所以雖然是熱啟動，但是NTC的阻值比較低，浪涌電壓比較大，所以不會燒壞。
相反，大功率電源的檢測電容容量大，ESR小，對浪涌尖峰的抑制作用不大，而浪涌尖峰的抑制更依賴于NTC。同時，浪涌持續(xù)時間為時間長了，可能會比IFSM（8.3ms/10ms）多一點點壞掉，所以一定要嚴格控制，不然真的插拔電源做熱啟動檢測，晶閘管壞了。