改善浪涌电流保护

今天的许多应用，包括工业机械、电动工具和其他大电流设备，都将限制浪涌电流作为主要设计考虑因素，以应对浪涌电流的问题影响。当系统通电并出现电流尖峰时，就会出现浪涌电流。该电流可以大大高于标准工作电流。如果管理不当，可能会降低有效使用寿命并对设备造成损坏。例如，浪涌电流可能会禁用冷却风扇，最终导致整个系统故障。 

快速开关的应用（例如焊接设备）特别关注限制浪涌电流。限制浪涌电流电路必须在每次上电时立即复位以保护系统。这进一步使浪涌电流的管理复杂化。   

浪涌电流概述

在通电期间，可能会出现高浪涌电流，因为电源的链路电容器起到抑制输出电流纹波的作用。该电容器的作用类似于短路，导致电流涌入。浪涌持续到电容器充电为止。浪涌电流的长度取决于电源和链路电容器。

电源的低内阻加剧了这个问题。电源中的任何电阻都会通过热量导致效率低下。为了最大限度地减少电阻，工程师通常使用电感负载。虽然这提高了电源的整体运行效率，但由于缺乏电阻，当电源开启时，浪涌电流可以通过主系统。

上电时在电源和系统之间临时引入高电阻，限制浪涌电流。当通电时的初始电流浪涌完成时，电阻会断开。

基于 NTC 的限制

对于许多系统，负温度系数 (NTC) 热敏电阻可以有效限制浪涌电流。NTC 热敏电阻根据其温度提供可变电阻。在电源和系统之间放置一个 NTC 热敏电阻可以限制浪涌电流（见图1）。起初，NTC 热敏电阻的初始温度较低，提供高电阻。当系统通电时，它会为 NTC 热敏电阻通电，导致温度升高，从而降低电阻。随着电阻下降到较低的值，电流通过而不会对正常操作或功率效率产生不利影响。

图 1： 用于限制浪涌电流的基于 NTC 的限制电路：一个 NTC 热敏电阻放置在电源和系统之间。通电时，NTC 热敏电阻提供高电阻以限制浪涌电流。随着浪涌电流的下降，NTC 热敏电阻会自热，其电阻值会降至足够低的值以使电流通过。

例如，考虑一个具有 10 A 连续电流和 100 A 浪涌电流的系统。通电时，NTC MS32 10015 热敏电阻的初始电阻为 10 欧姆。NTC MS32 10015 不允许通过 100 A，而仅允许通过 35 A。然后，随着 NTC MS32 10015 自发热，其电阻下降并降低电流，直到浪涌电流结束。NTC MS32 10015 仍会继续发热，电阻降至 0.05 ohm 低至 0.05 欧姆，达到稳定状态并使电流通过最小的效率损失。

与使用固定电阻器和旁路电路的浪涌限制电路相比，基于 NTC 的限制具有几个优点。基于 NTC 的电路通常占用固定电阻器的一半电路板空间。它还提供更高级别的浪涌电流保护。由于电阻会随着自热而下降，因此不需要旁路电路来禁用限制电路。最后，与基于固定电阻器的限流相比，基于 NTC 的电路总成本更低。

基于 PTC 的限制

NTC热敏电阻是最常用的限幅器。它们具有广泛的用途和应用。但是，存在一些需要正温度系数 (PTC) 的情况。如果系统满足下列例外情况之一，PTC 热敏电阻是最佳选择。

例外：

环境温度大于室温：如果环境温度已经很高，系统上电时NTC热敏电阻的阻值会降低。这种较低的电阻会降低 NTC 热敏电阻的限制能力，并可能使系统处于危险之中。

环境温度低于室温：如果环境温度已经很低，NTC热敏电阻的阻值会很高。即使在初始浪涌结束后，高温也会限制所有电流并阻止系统实际开启。

重置时间需要接近于零：某些类型的设备，例如焊接设备或等离子切割机，作为其正常操作的一部分，经常打开和关闭。这会产生多个浪涌电流实例。基于 NTC 的限制根据 NTC 热敏电阻的特性进行操作，以自热并降低其电阻。但是，当系统快速关闭然后再次打开时，NTC 热敏电阻可能没有完全冷却。NTC 热敏电阻释放热量和复位需要时间，具体取决于 NTC 热敏电阻的尺寸和质量。如果 NTC 热敏电阻没有足够的时间冷却，当系统再次开启时，它的电阻会降低，从而降低其处理浪涌电流和保护系统的能力。

短路：短路会使系统的内阻降至接近零，从而迅速提高系统从电源汲取的电流。由于 NTC 热敏电阻限制该电流，它的温度会迅速升高，从而降低其电阻。这允许更多的电流流过，直到它可能损坏系统。短路产生的大电流也会损坏 NTC 热敏电阻。

基于 PTC 的限制分析

当上述情况发生时，正温度系数 (PTC) 热敏电阻可以提供有效的浪涌电流保护。PTC 热敏电阻的作用与 NTC 热敏电阻相反：随着温度升高，其电阻增加。电阻在居里温度 (T c )开始迅速增加。例如，图 2 显示了 PTC MCL20500100 热敏电阻与 NTC 热敏电阻的性能对比。在 T c 电阻迅速增加。在低温下电阻保持不变。 

NTC 热敏电阻的电阻会随着自热而下降，而 PTC MCL20500100 热敏电阻的电阻会增加。在 PTC MCL20500100 的特定阈值 120°C 下，电阻急剧增加，使 PTC MCL20500100 能够快速响应浪涌电流。另请注意 PTC MCL20500100 如何在低温下具有平坦的响应，使其在整个温度范围内都有效。

PTC 热敏电阻权衡

在基于 PTC 的限幅电路中进行设计时需要进行一些权衡。PTC 热敏电阻的成本大约是 NTC 热敏电阻的 1.5 倍。此外，基于 PTC 的限制需要一个有源电路来绕过 PTC 热敏电阻，以防止关闭整个系统。随着电阻的增加，它会限制输入电流。即使在浪涌电流下降到正常水平后也会发生这种情况。

在通电期间，旁路电路在设定的时间间隔内处于活动状态，通常是浪涌电流稳定所需量的 3 或 4 倍（见图3）。然后，旁路电路自行关闭并通过 PTC 热敏电阻将电流送回，以保护系统免受短路。如果旁路电路总是由大电流触发，则限制电路在短路期间不会提供保护。总体而言，增加的响应能力和高级保护超过了旁路电路增加的复杂性和成本。

图 3： 完整的基于 PTC 的限制电路，带有旁路电路：基于 PTC 的限制电路需要一个旁路电路来通过 PTC 热敏电阻将电流送回，以保护系统免受短路。通过将旁路设置为浪涌电流稳定所需量的 3 或 4 倍，基于 PTC 的限制器的响应时间非常快。

NTC thermistors limit inrush current by providing low resistance in high temperatures. They are also the most commonly used thermistor because they fit a wide range of equipment. Certain scenarios, however, may require PTC thermistors. These thermistors stop inrush current by providing high resistance in high temperatures. Examples include industrial equipment, power tools, and other fast switching systems (see Table 1 ). For these cases, PTC thermistors provide cost-effective protection and superior responsiveness. Other benefits include: near-zero reset time, ability to operate in extreme temperature conditions, and effectiveness when limiting high current from shorts.

NTC vs. PTC Comparison

Table 1: PTC-based inrush current limiting provides many advantages over fixed- or NTC-based limiting for applications such as fast switching and high current industrial equipment and power tools.

审核编辑：刘清