在设计过流保护电路时如何选择PTC热敏电阻？

PTC热敏电阻是典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度(居里温度)时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。

在设计过流保护电路中选择合适的PTC热敏电阻时，需要考虑以下几个关键因素：

保持电流：
- 定义：这是PTC在室温（通常25°C）下允许长期通过而不会触发保护动作的最大稳态电流。这是选择PTC最重要、最基础的关键参数。
- 选择原则：
  - 选择PTC的保持电流必须大于或等于被保护电路在正常工作条件下的最大稳态电流。
  - 安全裕量：为了确保稳定可靠，建议选择的保持电流比实际最大工作电流高20% - 50%。例如，如果电路最大工作电流是500mA，应选择保持电流在600mA到750mA的PTC。
  - 环境温度考虑：如果PTC工作环境温度较高（>25°C），其有效保持电流会降低（PTC对温度更敏感）。此时需要选择更高保持电流规格的PTC（或参考制造商的降额曲线）。反之，低温下保持电流会稍高于标称值。
动作电流：
- 定义：PTC在特定条件下（环境温度、电压）开始发生显著电阻增加（通常说“跳闸”或“动作”）所需的最小电流。
- 选择原则：
  - 确保所选PTC的动作电流小于电路可能出现的最大故障电流。故障电流越大，PTC动作越迅速。
  - 动作电流和动作时间通常由制造商提供关系曲线，需要根据你对保护响应速度的要求来选择。
额定电压：
- 定义：PTC在保护状态下（高阻状态）所能承受的最大工作电压（AC或DC）。
- 选择原则：
  - 必须大于或等于被保护电路中的最大可能电压，包括异常情况下的浪涌或电源波动。
  - 安全裕量：建议有至少20%的裕量。例如，如果电路最高工作电压是24V，应选择额定电压至少为30V或更高的PTC。
最大故障电流/功率耗散能力：
- 定义：PTC在保护状态下能够安全承受而不损坏的最大电流或最大耗散功率。
- 选择原则：
  - 必须确保所选PTC的最大承受电流或功率大于电路中预期出现的最大故障电流或该电流在PTC高阻状态（需估算）下产生的功率。这是PTC自身安全的关键参数。
动作时间：
- 定义：当过流发生时，PTC电阻值从低阻态（毫欧级别）跳变到高阻态（欧姆/千欧级别）达到限制电流效果所需的时间。
- 选择原则：
  - 必须小于被保护元件（如IC、导线、MOSFET等）能够承受该过流而不损坏的最大允许时间。
  - 动作时间取决于过流大小和环境温度。过流越大，环境温度越高，动作越快。参考制造商提供的电流-时间曲线。需要根据电路中最薄弱元件的要求选择具有合适响应速度的PTC。
尺寸与封装：
- 选择原则：
  - 需满足PCB布局的空间要求（贴片SMD或直插TH）。
  - 尺寸通常与其额定功率耗散能力有关：尺寸越大，耐受故障电流能力和功率耗散能力通常越强。
电阻值：
- 初始电阻：PTC在室温、未触发状态下的电阻值。应足够小，以免在正常工作时产生明显的电压降或功率损耗。通常为毫欧级。
- 跳闸后电阻：PTC在保护状态下的电阻值。这个值决定了在保护状态下能多大程度地限制故障电流。需要足够大才能有效限流。
温度特性与自恢复能力：
- 了解在正常工作温度范围内PTC的特性变化（保持电流/动作电流会随环境温度变化）。
- 确保在故障排除后（过流消失），PTC能充分冷却并在合理时间内恢复到低阻状态（即自恢复）。恢复时间也与环境温度和PTC散热条件有关。

总结选择步骤

确定电路参数：
- 正常工作最大稳态电流 (I_max)。
- 可能出现的最大故障电流 (I_fault-max)。
- 电路工作电压 (V_work)，考虑异常最高电压 (V_max)。
- 环境温度范围。
- 保护所需的最大响应时间。
- 安装空间限制。
初选保持电流：
- I_hold ≥ I_max * (1.2 - 1.5) // 增加20%-50%裕量。
- 考虑温度影响（高温下调低，低温下维持）。
检查动作电流与时间：
- 确保I_trip < I_fault-max。
- 在最大环境温度和可能的故障电流下，检查厂商提供的动作时间曲线，是否快于保护对象要求的时间。
检查额定电压：
- V_rating ≥ V_max * 1.2 // 增加20%裕量。
检查最大承受故障电流/功率：
- 确认所选型号的I_{max withstand} > I_fault-max 或 P_d(max) > I_fault-max² * R_trip (估算值)。
检查尺寸和封装：
- 空间是否足够？
- 功耗、耐流能力是否与尺寸匹配？
检查电阻值：
- 初始R是否够低（是否会产生过大压降）？
- 跳闸后R是否够高（是否能有效限流到可接受水平）？
考虑环境因素：
- 高低温特性是否满足要求？
- 有无振动、湿度等特殊要求？
仿真与实测验证：
- 在最终设计中，最好能用实际电路或仿真测试PTC在正常工作和各种故障情况下的表现（动作时间、限流效果、温升、恢复时间等），确保设计可靠。