對一個成功設(shè)計的來說保護(hù)電路是至關(guān)重要的。我們之前探討了過壓保護(hù)電路，這里我們來看看如何用運(yùn)放打造一個過流保護(hù)電路。
過流保護(hù)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(fù)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(hù)電路來將負(fù)載與電源的連接斷開，從而保護(hù)兩者。
使用運(yùn)放打造過流保護(hù)
過流保護(hù)電路有許多種；其復(fù)雜程度取決于過流時保護(hù)電路的反應(yīng)速度有過快。這里我們來介紹使用運(yùn)放打造的過流保護(hù)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(yùn)放的過流保護(hù)電路，所以我們加入了運(yùn)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(yùn)放通道。然而我們只需要用到其中的一個。運(yùn)放需要通過 MOSFET 來閉合（斷開）輸出負(fù)載。這里我們采用 N 通道的 MOSFET IRF540N。如果負(fù)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(yùn)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(hù)電路
過流保護(hù)電路的設(shè)計思路是這樣的，運(yùn)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(fù)載與電源相連 / 斷開。電路圖如下。
過流保護(hù)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(fù)載的連接與關(guān)斷。但在關(guān)閉負(fù)載之前，檢測到負(fù)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(fù)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(fù)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(jìn)行計算。假設(shè) 1A 的負(fù)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(yùn)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(fù)載。
運(yùn)放常被用于數(shù)學(xué)運(yùn)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(fù)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(fù)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(fù)載，且運(yùn)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(fù)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(yùn)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(dá)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(fù)載電流進(jìn)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(bǔ)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(dú)立的檢流放大器。
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