基于运算放大器的过流保护设计

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　　众所周知，保护电路对于任何电子设计的成功都至关重要，如过电压保护，短路保护，反极性保护等等;其中过流保护通常用于电源电路中，以限制 PSU 的输出电流。术语“过流”是指负载吸收的电流大于电源单元的规定能力时的一种情况。这可能是一种危险情况，因为过流情况可能会损坏电源。因此工程师通常会在此类故障情况下使用过流保护电路将负载与电源切断，从而保护负载和电源。过流保护电路的种类很多;电路的复杂性取决于保护电路在过流情况下的反应速度。因此，在本文我们将使用一个非常常用的运算放大器构建一个简单的过流保护电路。

　　1.运算放大器LM358

　　文中设计的电路将具有可调节的过流阈值，并且还将具有故障自动重启功能。由于这是一个基于运算放大器的过流保护电路，因此它还将有一个运算放大器作为驱动单元，本文选择了使用通用运算放大器LM358。图1所示的是LM358的引脚图。

　　图1 LM358引脚图

　　如图1所示，在单个IC封装内，将有两个运算放大器通道。但是，此设计仅使用一个通道。运算放大器将使用MOSFET 切换(断开)输出负载，因此使用N 沟道MOSFET IRF540N。如果负载电流大于500mA，建议使用合适的MOSFET Heatsink。但是，对于该设计，使用MOSFET时没有散热器。图2是IRF540N引脚图的表示。

　　图2 IRF540N引脚图

　　为了给运算放大器和电路供电，使用了LM7809 线性稳压器。这是一款具有宽输入电压额定值的 9V 1A 线性稳压器。引脚排图如图3所示。

　　图3 LM7809 引脚图

　　2.设计所需材料

　　下面列出了过流保护 电路所需的组件列表。

　　①面包板

　　②电源 12V(最低)或根据电压要求。

　　③LM358

　　④100uF 25V

　　⑤IRF540N

　　⑥散热器(根据应用要求)

　　⑦50k修剪锅。

　　⑧具有1%容差的1k电阻器

　　⑨1Meg电阻

　　⑩具有1%容差的100k电阻器。

　　⑪1ohms电阻，2W(2W 最大 1.25A 负载电流)

　　⑫面包板用电线

　　3.过流保护电路设计

　　可以通过使用运算放大器感测过电流来设计一个简单的过流保护电路，并根据结果驱动Mosfet 断开/连接负载与电源。相同的电路图很简单，如图4所示。

　　图4 电路原理图

　　从图4中可以看出，MOSFET IRF540N 用于在正常和过载条件下控制负载的开启或关闭。但在关闭负载之前，必须检测负载电流。这是通过使用分流电阻器R1来完成的，它是一个1欧姆分流电阻器，额定功率为2 瓦。这种测量电流的方法称为分流电阻电流检测。

　　在MOSFET导通状态期间，负载电流流经MOSFET的漏极至源极，最后通过分流电阻流至GND。根据负载电流，分流电阻会产生一个电压降，可以使用欧姆定律计算出该电压降。因此，让我们假设，对于1A 的电流(负载电流)，分流电阻器上的压降为1V，因为V = I x R(V = 1A x1欧姆)。因此，如果将此压降与使用运算放大器的预定义电压进行比较，可以检测过流并改变MOSFET的状态以切断负载。

　　运算放大器通常用于执行加、减、乘等数学运算。因此，在该电路中，运算放大器LM358被配置为比较器。根据原理图，比较器比较两个值。第一个是分流电阻器两端的压降，另一个是使用可变电阻器或电位计RV1的预定义电压(参考电压)。RV1充当分压器。分流电阻器上的压降由比较器的反相端检测，并将其与连接在运算放大器同相端的参考电压进行比较。

　　因此，如果检测到的电压小于参考电压，比较器将在输出端产生一个接近比较器VCC的正电压。但是，如果感测电压大于参考电压，比较器将在输出两端产生负电源电压(负电源连接到 GND，因此在这种情况下为0V)。该电压足以打开或关闭MOSFET。

　　4.处理瞬态响应/稳定性问题

　　但是，当高负载与电源断开时，瞬态变化将在比较器上形成一个线性区域，这将形成一个环路，在该环路中，比较器无法正确打开或关闭负载，运算放大器将变得不稳定。例如，假设使用电位计设置1A以触发MOSFET进入关断状态。因此，可变电阻器设置为1V输出。在某种情况下，当比较器检测到分流电阻上的压降为1.01V(该电压取决于运算放大器或比较器的精度和其他因素)时，比较器将断开负载。瞬态变化，当高负载突然与电源单元断开时会发生这种情况，这种瞬态会增加参考电压，从而导致比较器两端的结果不佳并迫使其在线性区域内工作。

　　克服此问题的最佳方法是在比较器两端使用稳定的电源，其中瞬态变化不会影响比较器的输入电压和电压参考。不仅如此，还需要在比较器中添加额外的方法滞后。在该电路中，这是通过线性稳压器LM7809和使用迟滞电阻器R4(一个100k电阻器)来完成的。LM7809在比较器两端提供适当的电压，以便电源线上的瞬态变化不会影响比较器。C1，100uF电容用于过滤输出电压。

　　迟滞电阻器R4将一小部分输入馈入运算放大器的输出端，这会在低阈值(0.99V)和高阈值(1.01V)之间产生电压间隙，比较器会在此处改变其输出状态。如果达到阈值点，比较器不会立即改变状态，而是将状态从高变为低，感测电压电平需要低于低阈值(例如0.97V而不是0.99V)或者要将状态从低变为高，感测电压需要高于高阈值(1.03而不是1.01)。这将增加比较器的稳定性并减少误跳闸。除此电阻外，R2和R3用于控制栅极。R3是MOSFET的栅极下拉电阻。

　　5.过流保护电路测试

　　该电路构建在面包板上，并使用台式电源和可变直流负载进行测试。

　　图5 过流保护电路测试

　　测试电路并观察到输出在可变电阻器设置的不同值下成功断开。

　　6.过流保护设计技巧

　　①输出端的RC缓冲电路可以改善EMI。

　　②更大的散热器和特定的MOSFET可用于所需的应用。

　　③结构良好的PCB将提高电路的稳定性。

　　④需要根据负载电流根据幂律(P = I 2 R)调整分流电阻器瓦数。

　　⑤毫欧额定值的极低值电阻器可用于小型封装，但压降会更小。为了补偿压降，可以使用具有适当增益的附加放大器。

　　⑥建议使用专用电流检测放大器来解决准确的电流检测相关问题。

　　小结

　　以上就是基于运算放大器的过流保护设计介绍了，该设计的电路不但具有可调节的过流阈值，还具有故障自动重启功能，因此它可以很容易地适应您的设计，而且成本低。