具有自動重連的過流保護(hù)電路設(shè)計

葛 欣

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引 言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，為滿足國防安全需要，越來越多的電子系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于新型衛(wèi)星及各類武器裝備中。電子系統(tǒng)在宇宙空間受到各種高能粒子和射線的輻射時，容易產(chǎn)生單粒子鎖定效應(yīng)，產(chǎn)生大電流，進(jìn)而造成電子系統(tǒng)損傷，甚至失效，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟損失[1]。

現(xiàn)有的過流保護(hù)技術(shù)主要有兩種模式，第一種為過流續(xù)流模式[2]，使系統(tǒng)負(fù)載過流后維持負(fù)載在已設(shè)定的最大電流下進(jìn)行工作，此模式不能讓負(fù)載徹底掉電；另一種為關(guān)斷模式[3]，采用功率開關(guān)管方式，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載過流時，功率管關(guān)閉，使系統(tǒng)負(fù)載與電源斷開，切斷電源與系統(tǒng)負(fù)載之間的通路，達(dá)到保護(hù)電源與系統(tǒng)負(fù)載的目的，此模式下需要外加控制激勵使功率開關(guān)管導(dǎo)通，達(dá)到系統(tǒng)負(fù)載與電源重新連接。

針對空間與地面信息通信不能及時使負(fù)載系統(tǒng)上電的情況，需要研究一種既能切斷電源與系統(tǒng)負(fù)載之間的通路，從而使系統(tǒng)負(fù)載脫離單粒子鎖定狀態(tài)，達(dá)到過流保護(hù)的目的，又能在負(fù)載切斷電源后自動重新連接，以恢復(fù)系統(tǒng)負(fù)載正常工作狀態(tài)的功能。

2 電路功能分析

過流保護(hù)電路由集成電路芯片及分立元器件組成，電路內(nèi)部有電流檢測放大、比較器、邏輯控制、負(fù)壓電荷泵電路及功率開關(guān)管等器件[4-5]。整體電路原理圖如圖1 所示。

圖1 過流保護(hù)電路原理圖

過流保護(hù)器上電后，VOUT 連接負(fù)載時，負(fù)載電流Iload從VIN 端口流經(jīng)檢流電阻，當(dāng)負(fù)載電流Iload大于設(shè)定的過流閾值Ith時，比較器同相端的輸入電壓大于反相端參考電壓，比較器輸出高電平，此高電平信號通過狀態(tài)處理單元，控制光電耦合器斷開電荷泵輸出級與功率管柵極連接，功率管柵極電壓為VIN，功率管關(guān)閉，使VIN 與VOUT 端口切斷，負(fù)載電流迅速降低，達(dá)到過流保護(hù)的目的[6]。整體電路分為三個單元，分別為電流檢測與比較單元、狀態(tài)處理單元和輸出單元。

2.1 電流檢測與比較單元

電流檢測與比較單元主要由電流檢測器和比較器兩部分組成，電流檢測器采用LT6106HS 電流檢測器[7]，其輸入電壓2.7～44V，通過外部檢流電阻對電流進(jìn)行采樣，內(nèi)部將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電流。比較器采用LT1716 型高精度軌到軌電壓比較器，工作電壓2.7～44V，輸入電壓0.5～44V。

由圖1 可知R1為檢流電阻，流過R1的電流為負(fù)載電流Iload，LT6106HS 內(nèi)部電路為負(fù)反饋運放，則輸入端3 和輸入端4 電壓相等，且R2壓降等于R1的壓降，假設(shè)LT6106HSDE 的1 號端口輸出電流為Isense，則有：

比較器的同相輸入端電壓V0為：

比較器的反相端電壓為VIN/2，設(shè)置比較器的同相端電壓與反相端電壓相等時的負(fù)載電流Iload為限流閾值點Ith，由(1)和(2)可得：

設(shè)置限流閾值Ith時，將(3)中Iload更換為Ith，R1為25mΩ，R2為47Ω，則：

由公式(4)可根據(jù)VIN 的值，選取適當(dāng)?shù)碾娮鑂th，就可達(dá)到電流閾值的設(shè)定。當(dāng)負(fù)載電流Iload大于設(shè)定的閾值電流Ith時，比較器同相端電壓大于反相端電壓，比較器輸出高電平CMP_OUT_SET，此電平為狀態(tài)處理電路單元的輸入端。

2.2 狀態(tài)處理單元

狀態(tài)處理單元為由2 只74LVC1G27 型三輸入或非門組成的RS 觸發(fā)器結(jié)構(gòu)電路，其中一只74LVC1G27 的輸出端通過反饋信號RE_CONNECT接入其輸入端，狀態(tài)處理單元整體電路的輸入端為RESET 和COMP_OUT_SET，輸出端為OVER_FLAG和RS_OUT。其真值表如表1 所示。

表1 狀態(tài)處理單元電路真值表

VCC 上電瞬間，VCC 電壓通過電容C1在瞬態(tài)下使RESET 為高電平，比較器上電輸出低電平，此時RS 觸發(fā)器為表1 中State0 狀態(tài)，RS_OUT 輸出高電平，OVER_FLAG 低電平；VCC 上電穩(wěn)定后，RESET 端通過電阻R7放電，變?yōu)榈碗娖剑^流保護(hù)電路工作，負(fù)載電流Iload小于Ith，未發(fā)生過流現(xiàn)象，比較器輸出COMP_OUT_SET 低電平，RS 觸發(fā)器為State1 狀態(tài)；當(dāng)負(fù)載系統(tǒng)發(fā)生短路或單粒子鎖定現(xiàn)象時，負(fù)載電流變大，Iload大于Ith，比較器輸出CMP_OUT_SET 高電平，RS 觸發(fā)器進(jìn)入State2 過流狀態(tài)，此狀態(tài)下RS_OUT 輸出低電平，OVER_FLAG端輸出狀態(tài)由電容C_delay、電阻R8和74LVC1G27決定，當(dāng)RS_OUT 輸出低電平后，OVER_FLAG 輸出高電平，此電平通過R8對電容C_delay 進(jìn)行充電，當(dāng)經(jīng)過充電時間T_Delay 時間后，RE_CONNECT 達(dá)到高電平，通過74LVC1G27 使OVER_FLAG 變?yōu)榈碗娖健?/p>

在T_Delay 期間，由于功率管關(guān)閉，負(fù)載電流Iload減小到0，使比較器的同相輸入端電壓低于反相輸入端電壓，比較器輸出COMP_OUT_SET 低電平，RS 觸發(fā)器恢復(fù)到狀態(tài)State2，RS_OUT 輸出高電平，使功率管開啟，VIN 與VOUT 相連，負(fù)載系統(tǒng)重新上電以此達(dá)到了自動重新連接目的。從過流到重連接的時間為T_Delay。

2.3 輸出單元

輸出單元主要包括功率管、光電耦合器和負(fù)壓電荷泵等器件，負(fù)壓電荷泵采用LTC1983ES6-3[8]，其輸出電壓為-3V，此電壓接入光電耦合器受控端的發(fā)射極，集電極連接功率管柵極，光電耦合器控制輸入端的陽極為RS_OUT，陰極接地。當(dāng)RS_OUT 輸出低電平時，光電耦合器受控端處于斷開狀態(tài)，當(dāng)RS_OUT 輸出高電平時，光電耦合器受控端處于連接狀態(tài)。結(jié)合表1 及狀態(tài)處理描述可知，未過流時，RS_OUT 輸出高電平，功率管柵極電壓為LTC1983E S6-3 的輸出電壓-3V，功率管開啟，VOUT 輸出電壓近似為VIN；過流時RS_OUT 輸出低電平，功率管柵極電壓為VIN_R，功率管關(guān)閉，VOUT 輸出0V。

3 電路測試

測試時，設(shè)置VCC 電壓為5V，VIN 電壓為1V和3.3V，電容C_delay 容值為100nF，根據(jù)公式(4)，通過常用的電阻值Rth設(shè)定限流閾值Ith值，配置情況見表2。

表2 測試電路配置表

通過測試，電路的自動重連接時間、過流閾值點的測試結(jié)果如表3 所示。

表3 測試結(jié)果統(tǒng)計表

表3 中統(tǒng)計精度為不同VIN 值和Ith閾值等配置條件的測試結(jié)果統(tǒng)計分析，在低于200mA 的過流閾值下測試，實際過流閾值點與預(yù)設(shè)過流點的誤差精度在±20%以內(nèi)，在800mA 以上的過流閾值下測試，實際過流閾值點與預(yù)設(shè)過流點的誤差精度在±8%以內(nèi)。自動重連時間T_delay 的值根據(jù)C_delay的容值大小而改變，C_delay 為22nF 時，T_delay 時間為0.85ms；C_delay 為4.7μF 時，T_delay 時間為181ms?？梢娝鶞y試數(shù)據(jù)皆滿足設(shè)計與實用的要求。

4 結(jié)束語

設(shè)計的此款具有自動重連接的過流保護(hù)電路，過流閾值點和自動重連接時間可通過電路內(nèi)部的相關(guān)電阻和電容進(jìn)行調(diào)節(jié)。過流閾值設(shè)定在不同電流值判定條件下時，實際過流閾值點與預(yù)設(shè)過流點的誤差精度皆可控制在合理可接受的范圍內(nèi)，符合工程設(shè)計與應(yīng)用需要，具有一定的實用價值。