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                如何用運放打造一個過流保護電路

                保護電路圖

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                描述

                對一個成功設計的來說保護電路是至關重要的,過流保護常用于電源電路中,用于限制電源的輸出電流。“過流”這個詞是指負載上的電流超過了電源的供給限度。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流保護電路來將負載與電源的連接斷開,從而保護兩者。

                使用運放打造過流保護

                過流保護電路有許多種;其復雜程度取決于過流時保護電路的反應速度有過快。這里我們來介紹使用運放打造的過流保護電路,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流閾值,同時還有失效時自動重啟功能。因為這是一個基于運放的過流保護電路,所以我們加入了運放作為驅動,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IC內有兩個運放通道。然而我們只需要用到其中的一個。運放需要通過MOSFET來閉合(斷開)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,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線性穩壓器。這是一個9V 1A的線性穩壓器,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

                過流保護電路

                過流保護電路的設計思路是這樣的,運放來感知電路是否有過流發生,基于結果我們驅動MOSFET來將負載與電源相連/斷開。電路圖如下。

                過流保護電路的工作原理

                可以從上述電路圖看出,MOSFET IRF540N在正常與過流情況下控制負載的連接與關斷。但在關閉負載之前,檢測到負載電流很重要。而用于檢測電流的方法就是通過分流電阻R1,這是一個1Ω 2W的分流電阻。其測量電流方法被稱為分流電阻檢流。

                當MOSFET導通時,負載電流從MOSFET的漏極流向源極,最后通過分流電阻導向GND?;谪撦d電流,分流電阻會產生一個壓降,這樣我們可以用歐姆定律來進行計算。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的預設電壓相比,我們就可以檢測到過流并改變MOSFET的狀態,從而切斷負載。

                運放常被用于數學運算,比如加法,減法和乘法等。然而,這個電路中,LM358的配置為比較器。由圖可知,該比較器會比較兩個值的大小。第一個值是分流電阻間的壓降大小,第二個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,比較器會在輸出生成正電壓(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的開關。

                處理暫態響應/穩定性的問題

                但當大負載與電源斷開連接時,瞬間的改變會在比較器上產生一個線性區間,這會造成一個循環導致比較器無法正常開關負載,且運放會變得不穩定。比如,假設用電位計將1A設置為MOSFET關斷的閾值。這時,比較器檢測到分流電阻間的壓降為1.01V,那么比較器會斷開負載。暫態響應提高了參考電壓,迫使比較器在一個線性區間工作。

                解決該問題的最好辦法就是在比較器上使用穩定的電源,這樣瞬態改變不會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改變不會影響比較器。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)間創造了一個電壓差。這樣達到閾值后比較器不會立即改變狀態,不僅如此,要使狀態從高到低,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)。這會提升比較器的穩定性,并減少錯誤出發的情況。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,但其壓降會變少。為了補償壓降可以增加一個合適增益的放大器。

                · 如果要提高檢流精度的話,建議使用獨立的檢流放大器。

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