造成系統毀損及耗能的浪涌電流

星期六的下午陽(yáng)光透過(guò)房間的窗戶(hù)，光線(xiàn)折射在雪花窗欞，溫暖的金黃色的陽(yáng)光舒服地灑在臉上，躺在柔軟沙發(fā)上度過(guò)一個(gè)下午，許久沒(méi)有如此自在，突然遠處的手機響起，還在思考要不要接時(shí)，萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)想到來(lái)電顯示的是國外技術(shù)服務(wù)經(jīng)理，鐵定是急事，接聽(tīng)下果然有大事不妙，我們的產(chǎn)品開(kāi)機導致系統其它設備重新啟動(dòng)。

左思右想一定是系統內無(wú)熔絲開(kāi)關(guān)容量過(guò)少，建議在安全規格內加大無(wú)熔絲開(kāi)關(guān)容量，問(wèn)題暫時(shí)解決了隔天進(jìn)入辦公室先量測一下產(chǎn)品的浪涌電流（inrush current），果然如圖1不是理想， 顯示瞬間浪涌電流是44安培， 雖然inrush current沒(méi)有硬性國際規范限制，但終就需研究一下各家設計，以及一些特定業(yè)別應用的場(chǎng)地注意事項及限制在此分享給各位讀者。

圖一 ： 顯示瞬間浪涌電流為44安培

何謂浪涌電流（inrush current）

浪涌電流（inrush current）是一種電源啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的峰值電流（spike of current）。圖2是一種典型的直流對直流的電源系統。

EMI濾波器輸入線(xiàn)路端包含了一些電容，同樣直流－直流轉換器在輸入和輸出端也含有電容，負載端有可能含有其它的附加電容及雜散電容。當電源啟動(dòng)時(shí)電流對其電容充電的瞬時(shí)至穩態(tài)電壓的電流即稱(chēng)為浪涌電流（Inrush Current）。在電容器前端沒(méi)有連接任何阻尼時(shí)交流或者直流電網(wǎng)瞬間造成電容器類(lèi)似短路效果當然瞬間浪涌電流也會(huì )導致電容器的壽命減損。

圖二 ： 典型直流對直流的電源系統

一般電源器首重其保護裝置，電流保護組件即俗稱(chēng)的保險絲，在應用上可細分為一次或多次型保險絲（One Time or Resettable fuse）。其工作原理乃是利用電流之焦耳定律：

圖三 ： 焦耳定律

將電流轉換為熱量，此熱量則提供融斷保險絲內之金屬層能量使電路開(kāi)路，進(jìn)而保護后端組件之安全性，一般小電流之保險絲其瓶頸在于如何克服浪涌電流（Inrush Current），為了避免開(kāi)機之浪涌電流對保險絲造成永久破壞，建議采用適當的電路來(lái)降低浪涌電流（inrush current）。

據PC的電源為例，假設其功率為300瓦，效率為90%，如果沒(méi)有任何限制浪涌電流（Inrush Current）的組件設計。那么輸入電流的路徑是電源110V經(jīng)過(guò)整流二極管再充電至電容，依電源110V當輸入電壓在峰值的短暫時(shí)間。

簡(jiǎn)單的用奧姆定律來(lái)說(shuō)I=V/R。

V峰值=110*根號2=110*1.414=155.5V。

R值為總網(wǎng)絡(luò )阻抗，包含整流二極管的動(dòng)態(tài)等效阻抗，電容的等效阻抗（ESR）。

假設整流二極管的動(dòng)態(tài)等效阻抗大約是0.1奧姆來(lái)算，電容的等效阻抗（ESR）大約是2奧姆來(lái)算。

于是I=V/R=155.5/（2+0.1）=74A其瞬間浪涌電流為74A，假設其t=0.05sec Inrush current =74A。你所使用的保險絲需滿(mǎn)足下列焦耳公式：

代入焦耳公式得到的答案等同0.037度，啟動(dòng)時(shí)瞬間耗電量約0.037度，相當于連續使用12秒之電量，自然會(huì )減少產(chǎn)品的壽命。

計算出來(lái)的值焦耳可以用查表如表1的方式來(lái)找到適合的保險絲，為了滿(mǎn)足浪涌電流（inrush current）的前題其值遠超過(guò)穩態(tài)電流（nominal current），可能造成電源有異常時(shí)因選擇的保險絲容值超過(guò)輸入穩態(tài)電流（nominal current） 均值而無(wú)法實(shí)時(shí)切斷（Cut-off） 電源，造成后端組件之永久毀損。

圖四 ： 一般保險絲容？選擇表（注1），注1： 本表取自littlefuse產(chǎn)品官網(wǎng)（ http://www.littelfuse.com/）

浪涌電流波形 （Inrush Current Waveform）

浪涌電流波形圖4是一個(gè)典型的浪涌電流（Inrush current）波形。它有兩個(gè)尖峰。

第一個(gè)浪涌尖端電流峰值是輸入電壓電源（input voltage source） 啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的。這個(gè)峰值電流流入EMI濾波器電容和直流-直流轉換器的輸入端電容，并被充電至穩態(tài)值（steady state value）。

第二個(gè)是電流峰值是直流－直流轉換器啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的。這個(gè)峰值電流通過(guò)直流－直流電源變壓器流入到輸出端電容器和所有負載電容，充電至穩態(tài)值。

圖五 ： 典型的浪涌電流波形

限制浪涌電流方式

一般限制浪涌電流的方式有二種：

第一種方式常使用于傳統限制浪涌電流，即被動(dòng)式限制浪涌電流（Passive Inrush Limiting）。本方法就是在電容前面串聯(lián)一系列組件。如圖5前端的示意圖。串聯(lián)熱敏電阻R1將限制輸入電流，直至輸入電容被充滿(mǎn)。隨后繼電器S1閉合，使電流全部流向下級直流-直流轉換器。