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[经验] 【每日电路赏析】过流保护电路

2019-11-20 09:07:01  946 电路设计 过流保护 MOSFET 分流电阻
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对一个成功设计的来说保护电路是至关重要的。我们之前探讨了过压保护电路,这里我们来看看如何用运放打造一个过流保护电路。

过流保护常用于电源电路中,用于限制电源的输出电流。“过流”这个词是指负载上的电流超过了电源的供给限度。这是很危险的情况,而且很可能对电源造成损害。所以工程师们常用过流保护电路来将负载与电源的连接断开,从而保护两者。

使用运放打造过流保护

过流保护电路有许多种;其复杂程度取决于过流时保护电路的反应速度有过快。这里我们来介绍使用运放打造的过流保护电路,该设计可以轻易加入你的设计中去。

该设计加入了可调的过流阈值,同时还有失效时自动重启功能。因为这是一个基于运放的过流保护电路,所以我们加入了运放作为驱动,这里用的是常见的LM358。下图为LM358的引脚图
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上图可以看出,在这个IC内有两个运放通道。然而我们只需要用到其中的一个。运放需要通过MOSFET来闭合(断开)输出负载。这里我们采用N通道的MOSFET IRF540N。如果负载电流大于500mA的话,建议使用合适的MOSFET散热器。以下是IRF540N的引脚图。
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为了给运放和电路供电,还用到了LM7809线性稳压器。这是一个9V 1A的线性稳压器,且输入电压范围广。其引脚图如下。
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所需元器件

至少12V的电源
LM358
IRF540N
100uf/25V的电容
散热器
50kΩ电位计
精度1%的1kΩ和100kΩ电阻
1MΩ电阻
1Ω分流电阻,额定功率为2W

过流保护电路

过流保护电路的设计思路是这样的,运放来感知电路是否有过流发生,基于结果我们驱动MOSFET来将负载与电源相连/断开。电路图如下。
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过流保护电路的工作原理

可以从上述电路图看出,MOSFET IRF540N在正常与过流情况下控制负载的连接与关断。但在关闭负载之前,检测到负载电流很重要。而用于检测电流的方法就是通过分流电阻R1,这是一个1Ω 2W的分流电阻。其测量电流方法被称为分流电阻检流。

当MOSFET导通时,负载电流从MOSFET的漏极流向源极,最后通过分流电阻导向GND。基于负载电流,分流电阻会产生一个压降,这样我们可以用欧姆定律来进行计算。假设1A的负载电流,则分流电阻上的压降为1V,因为V=I x R。所以将该电压与使用运放时的预设电压相比,我们就可以检测到过流并改变MOSFET的状态,从而切断负载。

运放常被用于数学运算,比如加法,减法和乘法等。然而,这个电路中,LM358的配置为比较器。由图可知,该比较器会比较两个值的大小。第一个值是分流电阻间的压降大小,第二个值是用可调电阻或电位计RV1生成的预设电压(参考电压)。RV1的作用是分压器。分流电阻间的压降则导入比较器的反向引脚,而参考电压则连接到比较器的同向引脚。

正因如此,如果感应电压小于参考电压的话,比较器会在输出生成正电压(接近比较器的VCC),反之则为负电压(接地,所以此处为0V)。因此电压足够控制MOSFET的开关

处理暂态响应/稳定性的问题

但当大负载与电源断开连接时,瞬间的改变会在比较器上产生一个线性区间,这会造成一个循环导致比较器无法正常开关负载,且运放会变得不稳定。比如,假设用电位计将1A设置为MOSFET关断的阈值。这时,比较器检测到分流电阻间的压降为1.01V,那么比较器会断开负载。暂态响应提高了参考电压,迫使比较器在一个线性区间工作。

解决该问题的最好办法就是在比较器上使用稳定的电源,这样瞬态改变不会影响比较器的输入电压和参考电压。不仅如此,比较器上需要加入额外的滞后。在该电路中,我们使用的是线性稳压器LM7809和滞后电阻R4,100kΩ的电阻。LM7809位比较器提供了合理的电压,这样电源线上的暂态改变不会影响比较器。C1,100uF电容则用于输出电压的滤波。

滞后电阻R4将小部分输入导入到运放输出上,从而在低阈值(0.99V)和高阈值(1.01V)间创造了一个电压差。这样达到阈值后比较器不会立即改变状态,不仅如此,要使状态从高到低,那么检测电压应低于低阈值(比如0.97V而不是0.99V),而要从低到高,检测电压应高于高阈值(比如1.03而不是1.01)。这会提升比较器的稳定性,并减少错误出发的情况。R2和R3则用于控制MOSFET栅极,R3是MOSFET栅极下拉电阻。

设计建议

1.输出端的RC缓冲电路可以有效提高EMI性能。
2.特殊情况下可以使用更大的散热器及特定的MOSFET。
3.完善的PCB板可以提升电路的稳定性。
4.分流电阻额定功率需要根据功率定律和负载电流进行调整。
5.为了小封装可以采用mΩ级的低阻值电阻,但其压降会变少。为了补偿压降可以增加一个合适增益的放大器。
6.如果要提高检流精度的话,建议使用独立的检流放大器。
往期每日电路赏析
lm12041204a 2019-11-20 09:42:34
学习中,感谢楼主分享!
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王栋春 2019-11-20 12:54:17
还可以简化为稳压二极管方式
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王栋春 2019-11-20 12:54:27
还可以简化为稳压二极管方式
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王栋春 2019-11-20 12:55:33
还可以将三端集成稳压IC换成稳压二极管
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王栋春 2019-11-20 12:55:43
还可以将三端集成稳压IC换成稳压二极管
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wuxunjin 2019-11-20 20:01:56
学习中,学会了再评论
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dream3213 2019-11-20 21:37:31
学习学习学习一下
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王小二过年 2019-11-20 22:22:33
"但当大负载与电源断开连接时,瞬间的改变会在比较器上产生一个线性区间,这会造成一个循环导致比较器无法正常开关负载,且运放会变得不稳定。"不理解这个线性区间怎么产生的,有没有大神科普下,谢谢
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2050176606 2019-11-22 07:26:51
这不也是恒流源?
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helloshu 2019-11-22 09:16:07
滞后电阻能帮忙解释一下吗
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一棵树growing 2019-11-25 10:01:18
谢谢楼主分享                    
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花生米8537 2019-11-27 14:55:24
谢谢楼主分享谢谢楼主分享
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nbalanqiu 2019-11-28 12:35:48
谢谢分享!好好学习!
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