一種新型過流保護(hù)設(shè)計(jì)

劉 力，劉少龍，王云鵬，徐葉斌，吳 超

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，各種便民式智能電子設(shè)備在人們的日常生活中已隨處可見。為滿足該類設(shè)備的供電需要，供電技術(shù)也在不斷發(fā)展進(jìn)步。開關(guān)電源因具有體積小、效率高以及輸出穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。它利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，從而維持輸出電壓的穩(wěn)定，效率達(dá)到70%～95%，被譽(yù)為高效節(jié)能電源[1-4]。開關(guān)電源的性能參數(shù)越來越受到人們的重視，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)將安全性和可靠性放在首位[5]。過流保護(hù)（Over Current Protect，OCP）是開關(guān)電源的一個(gè)重要性能參數(shù)。過流保護(hù)功能是當(dāng)負(fù)載電流超過額定值時(shí)，通過觸發(fā)過流保護(hù)機(jī)制從而切斷電路的一種保護(hù)方式[6]。過流保護(hù)對(duì)于開關(guān)電源的防護(hù)及設(shè)備的安全性至關(guān)重要。該背景下，提出一種低成本、高精度、保護(hù)速度快的過流保護(hù)電路，并通過對(duì)該電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，證明了該過流保護(hù)電路具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 過流的危害

隨著現(xiàn)代智能電子設(shè)備的種類及應(yīng)用場(chǎng)景的不斷增加，因設(shè)備損壞而造成的損失及影響程度也在不斷擴(kuò)大。而在眾多類型的故障中，由設(shè)備過流造成的影響最大。設(shè)備過流故障發(fā)生時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)火災(zāi)、煙塵以及爆炸等事故。設(shè)備電源發(fā)生故障或負(fù)載短路都會(huì)使電流過大。當(dāng)電流大小超過某一電流值時(shí)，很有可能燒壞電路或負(fù)載，甚至引發(fā)火災(zāi)[7]。當(dāng)電路發(fā)生過流故障并且故障未被及時(shí)切斷時(shí)，故障負(fù)載會(huì)降低輸入源的電壓，從而對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)造成巨大傷害，因此一個(gè)良好的過流保護(hù)措施對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行的開關(guān)電源非常重要。

2 過流保護(hù)措施

2.1 保險(xiǎn)絲

保險(xiǎn)絲也稱熔斷器，是最早使用的一種過流保護(hù)元件，在電路中一般串接在電源輸出端。保險(xiǎn)絲保護(hù)電路如圖1所示。保險(xiǎn)絲一般由熔點(diǎn)較低的材料制成，電流流過時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量。當(dāng)電路短路時(shí)會(huì)有大電流流過保險(xiǎn)絲，導(dǎo)致保險(xiǎn)絲產(chǎn)生熱量的速度大于熱量耗散的速度。溫度升高到保險(xiǎn)絲的熔點(diǎn)時(shí)，保險(xiǎn)絲熔斷切斷電流，從而保護(hù)后級(jí)設(shè)備。但是，由于保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生飛弧、引燃、燒毀周圍的元器件，目前在精密電子設(shè)備中已經(jīng)不允許使用保險(xiǎn)絲。

圖1 保險(xiǎn)絲保護(hù)電路

2.2 傳統(tǒng)過流保護(hù)電路

隨著電子元器件的發(fā)展，用分立器件搭建的過流保護(hù)電路得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)過流保護(hù)電路基本原理如圖2所示[8]。流過采樣電阻Rsense的電流等于流過電感L1的電流，Q2為反饋回路，Q1和Q3為功率開關(guān)管，C1和Rload分別為輸出電容和負(fù)載電阻。傳統(tǒng)過流保護(hù)電路的過流保護(hù)原理如下：當(dāng)電路在額定電流以內(nèi)正常工作時(shí)，Rsense上的壓降較小，不足以導(dǎo)通Q2，電路正常工作；當(dāng)出現(xiàn)輕載或短路時(shí)，Rsense上的電流和其兩端的壓降急劇增大；當(dāng)Rsense兩端的壓降達(dá)到反饋回路Q2的導(dǎo)通電壓時(shí)，Q2導(dǎo)通，同時(shí)功率開關(guān)管Q1的基極電壓降低，Q1關(guān)斷，從而切斷電路，保護(hù)后期設(shè)備；當(dāng)電路恢復(fù)正常時(shí)，流過Rsense的電流減小，Q2關(guān)斷，功率開關(guān)管Q1重新打通，電路開始工作。負(fù)載過流或短路時(shí)，Rsense的兩端電壓差計(jì)算公式為

圖2 傳統(tǒng)過流保護(hù)電路基本原理

式中：UBE表示開關(guān)管Q2的導(dǎo)通電壓。

由式（1）可知，該過流保護(hù)電路受Rsense精度和Q2導(dǎo)通電壓的影響較大，對(duì)元器件的精度要求較高且反應(yīng)速度慢，因此該保護(hù)方式只適用于對(duì)過流門限要求不高的設(shè)計(jì)。

2.3 集成芯片過流保護(hù)電路

隨著電路集成度不斷加深，集成芯片的功能越來越多，具有過流保護(hù)功能的電路被大量集成在電路保護(hù)芯片。過流保護(hù)芯片的過流保護(hù)類型大致分為2類：一是可恢復(fù)式保護(hù)，當(dāng)電流超過額定值時(shí)觸發(fā)保護(hù)，故障消除后可以自動(dòng)恢復(fù)；二是鎖定關(guān)閉保護(hù)，當(dāng)電路出現(xiàn)故障時(shí)觸發(fā)保護(hù)，閉鎖電路，需要重啟后電路才可以恢復(fù)工作。集成芯片的保護(hù)功能往往比較豐富，除了集成過流保護(hù)，還會(huì)集成過欠壓保護(hù)和浪涌保護(hù)等。使用集成芯片進(jìn)行過流保護(hù)可能會(huì)造成資源浪費(fèi)，同時(shí)在過流保護(hù)電路中使用集成芯片時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大量的外圍電路，使過流保護(hù)成本大大增加，因此該保護(hù)方式對(duì)于成本低及布局小的電路不適用。

3 新型過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

3.1 過流保護(hù)設(shè)計(jì)電路圖

文章提出的新型過流保護(hù)電路如圖3所示。當(dāng)電路正常工作時(shí)，MOSFET開關(guān)管Q1正常打開，電流流過Rsense，并通過開關(guān)管Q1流向負(fù)載設(shè)備。當(dāng)出現(xiàn)輕載或短路故障時(shí)，Q1會(huì)迅速關(guān)斷，切斷電路從而保護(hù)后級(jí)負(fù)載設(shè)備。本設(shè)計(jì)具有較快的反應(yīng)速度和較高的精度，延遲時(shí)間小于50 μs，電流分辨精度小于100 μA，一旦發(fā)生過流故障，就會(huì)立即觸發(fā)電路保護(hù)。

圖3 新型過流保護(hù)電路

3.2 過流保護(hù)原理

該過流保護(hù)電路主要由高精度運(yùn)算放大器、匹配電阻、MOSFET開關(guān)管以及一個(gè)MOSFET開關(guān)控制器組成。在選擇匹配電阻時(shí)，需要注意匹配電阻的比例會(huì)直接影響采樣電流的精度，匹配反饋電阻阻值過大會(huì)影響保護(hù)速度[9,10]。當(dāng)電路正常工作時(shí)，電流流過Rsense并產(chǎn)生壓降，Rsense兩端的電壓值U1和U2被輸入運(yùn)算放大器N1進(jìn)行差模放大計(jì)放大后的電壓差U12的計(jì)算公式為

當(dāng)電阻完全匹配，即R1=R2且R3=R4時(shí)，U12的計(jì)算公式為

通過高精度運(yùn)算放大器后，Rsense兩端的電壓差被放大，然后輸入比較器N2并與參考電壓Uref進(jìn)行比較。當(dāng)電路出現(xiàn)短路故障時(shí)，負(fù)載電流Iload急劇變大，Rsense兩端的電壓差U12＞Uref，比較器輸出低電平，同時(shí)高邊MOSFET驅(qū)動(dòng)器G1輸出低電平，從而拉低MOSFET的柵極電壓，使開關(guān)管Q1迅速關(guān)斷，切斷電路從而保護(hù)后級(jí)負(fù)載設(shè)備。該部分的響應(yīng)情況為Iload↑→U12↑→U4為低電平→U5↓→Uout無輸出。

當(dāng)電路恢復(fù)正常工作時(shí)，電路中的負(fù)載電流變小，Rsense兩端的壓降降低，此時(shí)U12＜Uref，比較器輸出高電平，同時(shí)高邊MOSFET驅(qū)動(dòng)器G1輸出高電平拉高M(jìn)OSFET的柵極電壓，開關(guān)管Q1重新打開，電路正常工作。該部分的響應(yīng)情況為：Iload↓→U12↓→U4為高電平→U5↑→Uout正常輸出。

由過流保護(hù)原理可知，該電路通過Rsense把電路中的負(fù)載電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)進(jìn)行處理，并通過高精度運(yùn)算放大器及比較器處理電壓信號(hào)，從而極大地提高了電路中的電流識(shí)別精度。此外，通過高邊MOSFET驅(qū)動(dòng)器控制MOSFET的通斷控制電路的通斷。高邊MOSFET驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)時(shí)間極短，達(dá)到微秒級(jí)，大大提高了該電路對(duì)過流故障的響應(yīng)速度。

3.3 電路仿真

為驗(yàn)證新型過流保護(hù)電路的過流保護(hù)效果，使用仿真軟件LTspice對(duì)其進(jìn)行仿真，按照?qǐng)D示的電路原理搭建電路，選擇Rsense=50 mΩ，R3=100 kΩ，R1=1 kΩ，Uref=5 V，Uin=12 V。根據(jù)式（3）及電路的過流保護(hù)機(jī)制，可以推算出該電路的過流點(diǎn)電流值為1 A，通過調(diào)節(jié)負(fù)載電阻Rload的大小模擬電路的過流情況。過流保護(hù)電路仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)Rload=12.05 Ω時(shí)，Iload=0.996 A＜1 A，負(fù)載電阻Rload持續(xù)有電流流過，電路正常工作，當(dāng)Rload=11.95 Ω時(shí)，Iload=1.004 1 A＞1 A，電路觸發(fā)過流保護(hù)，高邊MOSFET驅(qū)動(dòng)器快速關(guān)斷功率開關(guān)管Q1，使電路中的負(fù)載電流Iload在30 μs內(nèi)降為0 A，從而保護(hù)后級(jí)設(shè)備，表明該電路具有良好的過流保護(hù)功能。

圖4 過流保護(hù)電路仿真結(jié)果

4 結(jié) 論

文章通過說明現(xiàn)代電路設(shè)計(jì)中過流保護(hù)的重要性，分析總結(jié)了現(xiàn)有過流保護(hù)方式的原理及不足。同時(shí)，以實(shí)際工程應(yīng)用為基礎(chǔ)，提出了一種新型的過流保護(hù)電路，通過對(duì)保護(hù)電路的原理進(jìn)行說明并進(jìn)行實(shí)例仿真，證明了該電路具有高精度、低成本、保護(hù)速度快等優(yōu)點(diǎn)，且在開關(guān)電源的電路保護(hù)設(shè)計(jì)上具有極高的參考價(jià)值和使用價(jià)值。