對(duì)一個(gè)成功設(shè)計(jì)的來(lái)說(shuō)保護(hù)電路是至關(guān)重要的。我們之前探討了過(guò)壓保護(hù)電路，這里我們來(lái)看看如何用運(yùn)放打造一個(gè)過(guò)流保護(hù)電路。
過(guò)流保護(hù)常用于電源電路中，用于限制電源的輸出電流。“過(guò)流”這個(gè)詞是指負(fù)載上的電流超過(guò)了電源的供給限度。這是很危險(xiǎn)的情況，而且很可能對(duì)電源造成損害。所以工程師們常用過(guò)流保護(hù)電路來(lái)將負(fù)載與電源的連接斷開，從而保護(hù)兩者。
使用運(yùn)放打造過(guò)流保護(hù)
過(guò)流保護(hù)電路有許多種；其復(fù)雜程度取決于過(guò)流時(shí)保護(hù)電路的反應(yīng)速度有過(guò)快。這里我們來(lái)介紹使用運(yùn)放打造的過(guò)流保護(hù)電路，該設(shè)計(jì)可以輕易加入你的設(shè)計(jì)中去。
該設(shè)計(jì)加入了可調(diào)的過(guò)流閾值，同時(shí)還有失效時(shí)自動(dòng)重啟功能。因?yàn)檫@是一個(gè)基于運(yùn)放的過(guò)流保護(hù)電路，所以我們加入了運(yùn)放作為驅(qū)動(dòng)，這里用的是常見的 LM358。下圖為 LM358 的引腳圖。
上圖可以看出，在這個(gè) IC 內(nèi)有兩個(gè)運(yùn)放通道。然而我們只需要用到其中的一個(gè)。運(yùn)放需要通過(guò) MOSFET 來(lái)閉合（斷開）輸出負(fù)載。這里我們采用 N 通道的 MOSFET IRF540N。如果負(fù)載電流大于 500mA 的話，建議使用合適的 MOSFET 散熱器。以下是 IRF540N 的引腳圖。
為了給運(yùn)放和電路供電，還用到了 LM7809 線性穩(wěn)壓器。這是一個(gè) 9V 1A 的線性穩(wěn)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(jì)
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(hù)電路
過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)思路是這樣的，運(yùn)放來(lái)感知電路是否有過(guò)流發(fā)生，基于結(jié)果我們驅(qū)動(dòng) MOSFET 來(lái)將負(fù)載與電源相連 / 斷開。電路圖如下。
過(guò)流保護(hù)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(fù)載的連接與關(guān)斷。但在關(guān)閉負(fù)載之前，檢測(cè)到負(fù)載電流很重要。而用于檢測(cè)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(cè)量電流方法被稱為分流電阻檢流。
當(dāng) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流從 MOSFET 的漏極流向源極，最后通過(guò)分流電阻導(dǎo)向 GND。基于負(fù)載電流，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(jì)算。假設(shè) 1A 的負(fù)載電流，則分流電阻上的壓降為 1V，因?yàn)?V=I x R。所以將該電壓與使用運(yùn)放時(shí)的預(yù)設(shè)電壓相比，我們就可以檢測(cè)到過(guò)流并改變 MOSFET 的狀態(tài)，從而切斷負(fù)載。
運(yùn)放常被用于數(shù)學(xué)運(yùn)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(diào)電阻或電位計(jì) RV1 生成的預(yù)設(shè)電壓（參考電壓）。RV1 的作用是分壓器。分流電阻間的壓降則導(dǎo)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(yīng)電壓小于參考電壓的話，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(fù)電壓（接地，所以此處為 0V）。因此電壓足夠控制 MOSFET 的開關(guān)。
處理暫態(tài)響應(yīng) / 穩(wěn)定性的問(wèn)題
但當(dāng)大負(fù)載與電源斷開連接時(shí)，瞬間的改變會(huì)在比較器上產(chǎn)生一個(gè)線性區(qū)間，這會(huì)造成一個(gè)循環(huán)導(dǎo)致比較器無(wú)法正常開關(guān)負(fù)載，且運(yùn)放會(huì)變得不穩(wěn)定。比如，假設(shè)用電位計(jì)將 1A 設(shè)置為 MOSFET 關(guān)斷的閾值。這時(shí)，比較器檢測(cè)到分流電阻間的壓降為 1.01V，那么比較器會(huì)斷開負(fù)載。暫態(tài)響應(yīng)提高了參考電壓，迫使比較器在一個(gè)線性區(qū)間工作。
解決該問(wèn)題的最好辦法就是在比較器上使用穩(wěn)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，我們使用的是線性穩(wěn)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(dǎo)入到運(yùn)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(dá)到閾值后比較器不會(huì)立即改變狀態(tài)，不僅如此，要使?fàn)顟B(tài)從高到低，那么檢測(cè)電壓應(yīng)低于低閾值（比如 0.97V 而不是 0.99V），而要從低到高，檢測(cè)電壓應(yīng)高于高閾值（比如 1.03 而不是 1.01）。這會(huì)提升比較器的穩(wěn)定性，并減少錯(cuò)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(shè)計(jì)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(wěn)定性。
分流電阻額定功率需要根據(jù)功率定律和負(fù)載電流進(jìn)行調(diào)整。
為了小封裝可以采用 mΩ級(jí)的低阻值電阻，但其壓降會(huì)變少。為了補(bǔ)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，建議使用獨(dú)立的檢流放大器。
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