造成系統毀損及耗能的浪涌電流

星期六的下午陽光透過房間的窗戶，光線折射在雪花窗欞，溫暖的金黃色的陽光舒服地灑在臉上，躺在柔軟沙發上度過一個下午，許久沒有如此自在，突然遠處的手機響起，還在思考要不要接時，萬萬沒想到來電顯示的是國外技術服務經理，鐵定是急事，接聽下果然有大事不妙，我們的產品開機導致系統其它設備重新啟動。

左思右想一定是系統內無熔絲開關容量過少，建議在安全規格內加大無熔絲開關容量，問題暫時解決了隔天進入辦公室先量測一下產品的浪涌電流（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，以及一些特定業別應用的場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）是一種電源啟動時產生的峰值電流（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。當電源啟動時電流對其電容充電的瞬時至穩態電壓的電流即稱為浪涌電流（Inrush Current）。在電容器前端沒有連接任何阻尼時交流或者直流電網瞬間造成電容器類似短路效果當然瞬間浪涌電流也會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路，進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經過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間。

簡單的用奧姆定律來說I=V/R。

V峰值=110*根號2=110*1.414=155.5V。

R值為總網絡阻抗，包含整流二極管的動態等效阻抗，電容的等效阻抗（ESR）。

假設整流二極管的動態等效阻抗大約是0.1奧姆來算，電容的等效阻抗（ESR）大約是2奧姆來算。

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，啟動時瞬間耗電量約0.037度，相當于連續使用12秒之電量，自然會減少產品的壽命。

計算出來的值焦耳可以用查表如表1的方式來找到適合的保險絲，為了滿足浪涌電流（inrush current）的前題其值遠超過穩態電流（nominal current），可能造成電源有異常時因選擇的保險絲容值超過輸入穩態電流（nominal current） 均值而無法實時切斷（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產品官網（ http://www.littelfuse.com/）

浪涌電流波形 （Inrush Current Waveform）

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

第一個浪涌尖端電流峰值是輸入電壓電源（input voltage source） 啟動時產生的。這個峰值電流流入EMI濾波器電容和直流-直流轉換器的輸入端電容，并被充電至穩態值（steady state value）。

第二個是電流峰值是直流－直流轉換器啟動時產生的。這個峰值電流通過直流－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，即被動式限制浪涌電流（Passive Inrush Limiting）。本方法就是在電容前面串聯一系列組件。如圖5前端的示意圖。串聯熱敏電阻R1將限制輸入電流，直至輸入電容被充滿。隨后繼電器S1閉合，使電流全部流向下級直流-直流轉換器。