如何用運放打造一個過流保護電路

對一個成功設(shè)計的來說保護電路是至關(guān)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(fù)雜程度取決于過流時保護電路的反應(yīng)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(shè)計可以輕易加入你的設(shè)計中去。

該設(shè)計加入了可調(diào)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(qū)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(nèi)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(wěn)壓器。這是一個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

· 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(shè)計思路是這樣的，運放來感知電路是否有過流發(fā)生，基于結(jié)果我們驅(qū)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(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(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，負載電流從MOSFET的漏極流向源極，最后通過分流電阻導(dǎo)向GND。基于負載電流，分流電阻會產(chǎn)生一個壓降，這樣我們可以用歐姆定律來進行計算。假設(shè)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(yù)設(shè)電壓相比，我們就可以檢測到過流并改變MOSFET的狀態(tài)，從而切斷負載。

運放常被用于數(shù)學(xué)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(diào)電阻或電位計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(guān)。

處理暫態(tài)響應(yīng)/穩(wěn)定性的問題

但當(dāng)大負載與電源斷開連接時，瞬間的改變會在比較器上產(chǎn)生一個線性區(qū)間，這會造成一個循環(huán)導(dǎo)致比較器無法正常開關(guān)負載，且運放會變得不穩(wěn)定。比如，假設(shè)用電位計將1A設(shè)置為MOSFET關(guān)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(tài)響應(yīng)提高了參考電壓，迫使比較器在一個線性區(qū)間工作。

解決該問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)造了一個電壓差。這樣達到閾值后比較器不會立即改變狀態(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，檢測電壓應(yīng)高于高閾值（比如1.03而不是1.01）。這會提升比較器的穩(wěn)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(shè)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(wěn)定性。

· 分流電阻額定功率需要根據(jù)功率定律和負載電流進行調(diào)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。