UPS電源NTC選用或替用規則

最近收了一台 Emerson. Liebert. GXT MT+ 3KVA的UPS。原先的故障情況是無法開機。

拆開後看到電源的NTC已經完全燒毀看不到其規格了。電路板上的電容、二極體與FET等零件測量後都是正常的，因此判斷是NTC製成不良或是選錯規格導致故障燒毀。

什麼是NTC?

NTC中文名稱是 負溫度係數熱敏電阻 ，也就是電阻值會隨著溫度的改變而變化。常用的熱敏電阻依變化特性有分做正溫度係數(Positive)的PTC(Positive Temperature Coefficient)與負溫度係數(Negative)的NTC(Negative Temperature Coefficient)二種。

規格上大多都是標示尺寸或最大電流與阻值(25度室溫下)，如下圖就是一個1ohm的NTC在不同溫度下的阻值表現。

這個元件通常使用在電源電路的一次側，尤其是UPS的原因是因為UPS會有一個AC-DC轉換電路，通常都是使用橋式整流將電壓拉高後用濾波電容轉成DC。但是這樣的設計在開機瞬間電路上來看電容是短路的。這個短路對於橋式整流來說會是一個很大的電流在其上(湧浪電流 Inrush Current)。

解決方法是在EMI電路的前端加上一顆NTC，利用溫度越低電阻越高的特性讓初始的湧浪電流不會太高，待NTC因加熱後降低阻值回復電路的正常工作。一個良好的NTC迴路會搭配一個繼電器，在電路工作正常之後將NTC旁路掉。但是我這一台UPS卻沒有這樣的設計，加上可能NTC年久老化，所以就燒板了。

NTC的選用

沒辦法看NTC的規格，那要如何選擇正確的NTC呢?太高的阻值，消耗的功耗越大。而且會讓電路啟動不良或是燒毀NTC、太低的阻值又會讓橋式整流子貫穿。

首先我們必須知道一些參數，像是橋式整流的最大衝擊電流(IFSM)與濾波電容的等值電阻(ESR)。

IFSM可以從規格表中找到，但是ESR通常都不會標示出來，除了可以用ESR表直接測量之外，也可以利用公式推導出來：

ESR = tanδ/(ω×Cs) = tanδ/2πfCs

tanδ : 電容器的損耗角正切，可以看規格書，大多電解電容都是在0.2-0.24之間

f : 頻率

Cs : 電容量

ESR = 0.24/(2 x π x 120 x 1800 x10^-6) = 0.3183 ohm

如果以1000uf的電路來去計算，則ESR會在0.32 ohm左右。如果不加上NTC，則橋式整流上的湧浪電流將會是：

IC = V_max / ESR

V_max : 最大市電電壓 110V x 10% = 121V

IC = 121/0.32 = 378(A)；依照常用的25A橋式整流器GBPC25005來看，其IFSM是300A。碰!掛了一顆。

但是如果加上一顆1ohm的NTC上去之後呢?則電流可以降到約90A。

所以NTC的選用值：

NTC_R = ESR – (Vmax x √2 ) / IC

NTC_R = 0.3183 – (171 / 378) = 0.45 ohm

依照範例，只需要選用0.45ohm以上的NTC就可以了。

當然，電流一定不要忘記，不要選了一個低於使用電流的NTC。我最後選了二顆1ohm 20A的NTC焊回UPS，然後上電。

工作正常!

接著就是買電池裝回就可以復活了。