對一個(gè)成功設計的來(lái)說(shuō)保護電路是至關(guān)重要的。我們之前探討了過(guò)壓保護電路，這里我們來(lái)看看如何用運放打造一個(gè)過(guò)流保護電路。
過(guò)流保護常用于電源電路中，用于限制電源的輸出電流�！斑^(guò)流”這個(gè)詞是指負載上的電流超過(guò)了電源的供給限度。這是很危險的情況，而且很可能對電源造成損害。所以工程師們常用過(guò)流保護電路來(lái)將負載與電源的連接斷開(kāi)，從而保護兩者。
使用運放打造過(guò)流保護
過(guò)流保護電路有許多種；其復雜程度取決于過(guò)流時(shí)保護電路的反應速度有過(guò)快。這里我們來(lái)介紹使用運放打造的過(guò)流保護電路，該設計可以輕易加入你的設計中去。
該設計加入了可調的過(guò)流閾值，同時(shí)還有失效時(shí)自動(dòng)重啟功能。因為這是一個(gè)基于運放的過(guò)流保護電路，所以我們加入了運放作為驅動(dòng)，這里用的是常見(jiàn)的LM358。下圖為L(cháng)M358的引腳圖。
上圖可以看出，在這個(gè)IC內有兩個(gè)運放通道。然而我們只需要用到其中的一個(gè)。運放需要通過(guò)MOSFET來(lái)閉合（斷開(kāi)）輸出負載。這里我們采用N通道的MOSFET IRF540N。如果負載電流大于500mA的話(huà)，建議使用合適的MOSFET散熱器。以下是IRF540N的引腳圖。
為了給運放和電路供電，還用到了LM7809線(xiàn)性穩壓器。這是一個(gè)9V 1A的線(xiàn)性穩壓器，且輸入電壓范圍廣。其引腳圖如下。
所需元器件
· 至少12V的電源
· LM358
· IRF540N
· 100uf/25V的電容
· 散熱器
· 50kΩ電位計
· 精度1%的1kΩ和100kΩ電阻
· 1MΩ電阻
· 1Ω分流電阻，額定功率為2W
過(guò)流保護電路
過(guò)流保護電路的設計思路是這樣的，運放來(lái)感知電路是否有過(guò)流發(fā)生，基于結果我們驅動(dòng)MOSFET來(lái)將負載與電源相連/斷開(kāi)。電路圖如下。
過(guò)流保護電路的工作原理
可以從上述電路圖看出，MOSFET IRF540N在正常與過(guò)流情況下控制負載的連接與關(guān)斷。但在關(guān)閉負載之前，檢測到負載電流很重要。而用于檢測電流的方法就是通過(guò)分流電阻R1，這是一個(gè)1Ω 2W的分流電阻。其測量電流方法被稱(chēng)為分流電阻檢流。
當MOSFET導通時(shí)，負載電流從MOSFET的漏極流向源極，最后通過(guò)分流電阻導向GND�；谪撦d電流，分流電阻會(huì )產(chǎn)生一個(gè)壓降，這樣我們可以用歐姆定律來(lái)進(jìn)行計算。假設1A的負載電流，則分流電阻上的壓降為1V，因為V=I x R。所以將該電壓與使用運放時(shí)的預設電壓相比，我們就可以檢測到過(guò)流并改變MOSFET的狀態(tài)，從而切斷負載。
運放常被用于數學(xué)運算，比如加法，減法和乘法等。然而，這個(gè)電路中，LM358的配置為比較器。由圖可知，該比較器會(huì )比較兩個(gè)值的大小。第一個(gè)值是分流電阻間的壓降大小，第二個(gè)值是用可調電阻或電位計RV1生成的預設電壓（參考電壓）。RV1的作用是分壓器。分流電阻間的壓降則導入比較器的反向引腳，而參考電壓則連接到比較器的同向引腳。
正因如此，如果感應電壓小于參考電壓的話(huà)，比較器會(huì )在輸出生成正電壓（接近比較器的VCC），反之則為負電壓（接地，所以此處為0V）。因此電壓足夠控制MOSFET的開(kāi)關(guān)。
處理暫態(tài)響應/穩定性的問(wèn)題
但當大負載與電源斷開(kāi)連接時(shí)，瞬間的改變會(huì )在比較器上產(chǎn)生一個(gè)線(xiàn)性區間，這會(huì )造成一個(gè)循環(huán)導致比較器無(wú)法正常開(kāi)關(guān)負載，且運放會(huì )變得不穩定。比如，假設用電位計將1A設置為MOSFET關(guān)斷的閾值。這時(shí)，比較器檢測到分流電阻間的壓降為1.01V，那么比較器會(huì )斷開(kāi)負載。暫態(tài)響應提高了參考電壓，迫使比較器在一個(gè)線(xiàn)性區間工作。
解決該問(wèn)題的最好辦法就是在比較器上使用穩定的電源，這樣瞬態(tài)改變不會(huì )影響比較器的輸入電壓和參考電壓。不僅如此，比較器上需要加入額外的滯后。在該電路中，我們使用的是線(xiàn)性穩壓器LM7809和滯后電阻R4,100kΩ的電阻。LM7809位比較器提供了合理的電壓，這樣電源線(xiàn)上的暫態(tài)改變不會(huì )影響比較器。C1,100uF電容則用于輸出電壓的濾波。
滯后電阻R4將小部分輸入導入到運放輸出上，從而在低閾值（0.99V）和高閾值（1.01V）間創(chuàng )造了一個(gè)電壓差。這樣達到閾值后比較器不會(huì )立即改變狀態(tài)，不僅如此，要使狀態(tài)從高到低，那么檢測電壓應低于低閾值（比如0.97V而不是0.99V），而要從低到高，檢測電壓應高于高閾值（比如1.03而不是1.01）。這會(huì )提升比較器的穩定性，并減少錯誤出發(fā)的情況。R2和R3則用于控制MOSFET柵極，R3是MOSFET柵極下拉電阻。
設計建議
· 輸出端的RC緩沖電路可以有效提高EMI性能。
· 特殊情況下可以使用更大的散熱器及特定的MOSFET。
· 完善的PCB板可以提升電路的穩定性。
· 分流電阻額定功率需要根據功率定律和負載電流進(jìn)行調整。
· 為了小封裝可以采用mΩ級的低阻值電阻，但其壓降會(huì )變少。為了補償壓降可以增加一個(gè)合適增益的放大器。
· 如果要提高檢流精度的話(huà)，建議使用獨立的檢流放大器。 |
