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运放如何打造过流保护电路

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运放如何打造过流保护电路
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2021-3-11 07:42:16   评论 分享淘帖 邀请回答

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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。
  
  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。
  
  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。
  
  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。
  
  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
  输出端的 RC 缓冲电路可以有效提高 EMI 性能。
  特殊情况下可以使用更大的散热器及特定的 MOSFET。
  完善的 PCB 板可以提升电路的稳定性。
  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。
  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。
  如果要提高检流精度的话,建议使用独立的检流放大器。
2021-3-11 14:35:43 评论

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