ZHDA211 July 2026 ADS125H18 , ISO7721 , ISO7730 , ISO7731 , SN6505B , SN74LVC1G17 , TUSB320 , TVS3301
2.1.3 保护分流器：PTC 和齐纳二极管
图 2-3 显示 EMC 测试板在某些模拟输入上包含 249Ω 分流器 (R3)。这些分流器将现场变送器的电流输出转换为 ADC 在正常运行期间测得的电压。但是，可能会出现对分流器施加持续过压并可能导致损坏的故障情况。例如，最常见的过压事件是标称 24V 电源意外短接到输入端。方程式 9 和 方程式 10 分别计算了在施加 24V 电压时流过 249Ω 分流器的电流及其耗散的功率：
方程式 10 显示，在这些故障条件下，典型的 0.1W 或 0.25W 分流器会被损坏。因此，ADS125H18 EMC 测试板采用背对背齐纳二极管和 PTC 保险丝来帮助保护分流器，具体如下：
- 背对背齐纳二极管（图 2-3 中的 D1 和 D2）通过在正负过压期间钳制到特定电压来保护分流器。该钳位电压限制了流过分流器的电流，使得任何剩余的故障电流都流经二极管
- PTC 保险丝（图 2-3 中的 F1）通过在温度升高时增加其电阻来保护齐纳二极管。温度升高是由于大故障电流流过二极管导致过大的功率耗散。随后，升高的 PTC 保险丝电阻会减小电源提供的总故障电流，并使系统保持稳定
图 2-4 展示了 ADS125H18 EMC 测试板上的电流输入通道、其中背对背齐纳二极管和 PTC 保险丝以黄色突出显示：
图 2-4 ADS125H18 EMC 测试板上的分流保护电路表 2-1 介绍了重要的齐纳二极管参数，其定义以及示例值：
| 参数 | 定义 | 值（25°C 时） |
|---|---|---|
| 齐纳电压 (VZ) | 可以通过 PTC 而不会导致跳闸的电流量 | 11V |
| 浪涌功率 (PS) | 二极管能够维持给定输入电流的时间量 | 在 90W 下维持 1.5ms |
| 正向电压 (VF) | 正向偏置时的二极管压降 | 0.7V |
| 泄漏电流 (IR) | 在关断状态下流过分流器并产生测量误差的剩余器件电流 | 1µA |
| 直流齐纳电流 (IZ) | 齐纳二极管钳制到的电流 | 136mA |
表 2-2 介绍了重要的 PTC 保险丝参数，其定义以及示例值：
| 参数 | 定义 | 值（25°C 时） |
|---|---|---|
| 保持电流 (IH) | 在 25°C 下可以通过 PTC 而不会导致跳闸的电流量 | 200mA |
| 跳闸电流 (IT) | 在 25°C 下 PTC 开始跳闸的电流 | 600mA |
| 最大电流 (IMAX) | 可以流过 PTC 而不会损坏器件的最大电流 | 30A |
| 功率耗散 (PD) | PTC 在跳闸状态下耗散的功率 | 0.9W |
| 跳闸时间 (tTrip) | 在给定输入电流下 PTC 跳闸的时间量 | 8A 时为 1.5ms |
通过一个示例，可以帮助了解这些元件如何保护分流器。假设在分流器两端意外短接了一个具有 8A 电流限制的 24V 电源。齐纳二极管会立即钳制分流器两端的电压，同时故障电流流经齐纳二极管而非分流器。方程式 11 使用 表 2-1 中的值计算了分流器两端的总钳位电压：
齐纳二极管将分流器两端的电压钳制在 11.7V。方程式 12 和 方程式 13 分别计算了在此条件下流过分流器的电流以及分流器耗散的功率：
剩余的电源电流流经齐纳二极管。方程式 14 和 方程式 15 分别计算了在此条件下流过二极管的电流以及二极管耗散的功率：
二极管浪涌功率 (PS) 规格指明了二极管能够承受过流事件多长时间。二极管数据表通常会提供一张曲线图，x 轴为脉冲持续时间，y 轴为峰值功率，因为二极管能承受的电流会随脉冲持续时间缩短而增大。在此示例中，齐纳二极管可承受 PS = 90W 维持 1.5ms。因此，根据 方程式 15 中的结果，该二极管能够承受过流条件大约 1.5ms。图 2-5 展示了电源短接到输入瞬间的电路行为。请注意，为简单起见，已移除部分元件。
图 2-5 电源短路瞬间的分流保护电路选择 PTC 保险丝时，需确保该元件的跳闸时间与电流的关系曲线低于 PS，以免二极管损坏。本例中，根据 表 2-2 中的规格，PTC 保险丝在 8A 下的跳闸时间 tTrip = 1.5ms，从而保护了二极管。PTC 保险丝在跳闸状态下电阻显著增大，从而减小了电源提供的电流，并且保险丝两端的剩余电源电压降低，如 方程式 16 所示：
PTC 保险丝还会在跳闸状态下维持其功率耗散规格 (PD)。方程式 17 根据 表 2-2 中的 PD 规格计算了 PTC 保险丝电流：
剩余电流流经齐纳二极管，如 方程式 18 所示：
确认当 PTC 保险丝跳闸时，IZener 小于齐纳二极管最大直流电流规格（IZ）。方程式 18 显示 IZener = 26mA，这完全在 表 2-1 所规定的 IZ = 136mA 的限值之内。图 2-6 显示了在 1.5ms 后 PTC 保险丝跳闸时的电路行为。
图 2-6 电源短路后 1.5ms 的分流保护电路. 电路将保持 图 2-6 所示的状态，直至故障条件解除。因此，设计系统时应确保所有元件能够无限期承受所需的电压和电流。此外，在工业应用中选择分流保护元件时，还需考虑以下因素：
- PTC 保险丝的行为会随温度变化。在低温下要格外小心，因为此时的跳闸电流和功率耗散会高得多。这种行为要求齐纳二极管在 PTC 保险丝跳闸后能够承受更大的直流电流。相比之下，在较高温度下，PTC 保险丝会在低得多的电流下跳闸。这可能会导致系统正在测量有效电流时，PTC 保险丝就发生跳闸
- 将两个分流器并联，有助于降低每个器件上的总功率耗散，因为电流会减半，而电阻会加倍。然而，功率公式中使用了电流的平方 (P = I2R)，因此与单个分流器相比，每个分流器耗散的功率将减半。
- 齐纳二极管的泄漏电流会叠加到被测输入电流中，从而产生误差。应选择低泄漏电流元件，以保持系统的高精度