過流保護電路工作原理

當電路處于正常狀態時，通過過流保護用PTC熱敏電阻的電流小于額定電流，過流保護用PTC熱敏電阻處于常態，阻值很小，不會影響被保護電路的正常工作。當電路出現故障，電流大大超過額定電流時，過流保護用PTC熱敏電阻陡然發熱，呈高阻態，使電路處于相對“斷開”狀態，從而保護電路不受破壞。當故障排除后，過流保護用PTC熱敏電阻亦自動回復至低阻態，電路恢復正常工作。

簡單過流保護電路設計方案（一）

傳統的過流保護電路由電流感應電路、比較電路以及輸出級組成，分為恒流式過流保護和折返式過流保護。傳統的過流保護電路采用的是“中斷”模式，對于任何過流情況，只要負載電流大于限制電流，都將使LDO中斷運行。

當負載電流超過限制電流ILIMIT不太多且持續作用時間不太長時，我們希望過流保護電路能保持LDO不中斷工作，因此需要采用“屏蔽”模式屏蔽掉部分可以讓LDO不中斷運行的過流信號，對于過流幅值和持續作用時間超過范圍的過流信號，過流保護電路又能采取中斷LDO工作的模式。傳統的“中斷”模式電流保護電路工作狀態如圖1（a）所示，分為正常工作區Ⅰ和“中斷”區Ⅱ，當負載電流不超過ILIMIT時，LDO工作在正常工作區，當負載電流超過ILIMIT時LDO進入“中斷”區。加入“屏蔽”模式后的過流保護電路工作狀態如圖1（b），分為正常工作區Ⅲ、屏蔽區Ⅳ以及中斷區Ⅴ，當負載電流小于ILIMIT時，LDO處于正常工作區，當過流信號的幅值在ILIMIT和最大幅值電流IMAX之間，持續作用時間在t=tMAX之內即同時滿足ILIMIT≤ILOAD≤IMAX，t≤tMAX時，LDO進入屏蔽區，這個范圍之外的過流信號將進入中斷區。對比圖1（a）和（b）可以看出，改進過流保護電路后的LDO的正常工作區包括圖1（b）的正常工作區Ⅲ和“屏蔽”區Ⅳ，增大了工作區的范圍，提高了LDO的工作效率。

包含過流保護電路的LDO整體框圖如圖2所示，虛線左邊是LDO主體電路，包括誤差放大器、功率管、負載電阻以及分壓電阻。虛線右邊部分為電流保護電路，主要作用是感應并檢測負載電流是否超過限制電流，然后通過控制功率管來決定是否使LDO中斷運行，包括電流感應電路和控制電路。傳統的過流保護電路只采用圖2中實框Ⅱ所示的“中斷”模式（不包括虛框），對于任何負載過流情況，不論持續作用時間如何，都使LDO中斷工作；本文在傳統的“中斷”模式基礎上，增加了“屏蔽”模式（如圖2中虛框Ⅰ），能有效屏蔽希望LDO不中斷工作的過流信號，使LDO更高效運行，同時保留“中斷”模式，保證LDO安全工作。

圖2 ?帶過流保護電路的LDO框圖

“屏蔽”模式電路實現

圖3是改進前后的過流保護電路圖。不加虛框部分是傳統的“中斷”模式過流保護電路，由電流感應電路、比較電路以及輸出級電路組成。電流感應電路采樣功率管電流。采樣得到的電流和限制電流ILIMIT分別轉化為比較器的兩輸入端電壓VSENSE和VLIMIT并進行比較，得到VCO。VCO作用于輸出級電路以控制功率管柵極電壓。如果負載過流，過流保護電路使得功率管柵極電壓PG為高電平，強行使LDO中斷。

圖3 ?改進后的電流保護電路圖

如果我們在電路中加入圖3虛框A區所示的電路結構，電路將變為“屏蔽”模式電流保護。屏蔽電路由延時電路、或非門構成。比較器甲輸出的信號VB1經過延時后得到VB2，VB1和VB2進行或非運算再經過一次反向后得到屏蔽電路的輸出信號VBOUT。

由于邏輯或運算只能使同時為1的兩個信號保持不變，因此，可以通過或非門和反相器消除掉延遲時間內的脈沖信號。在過流保護電路中增加屏蔽電路，則可屏蔽掉延遲時間內的過流信號，但如果負載電流太大，可能瞬間燒毀功率管，因此需要相應的關斷電路。當負載電流超過最大限制電流IMAX時，過流保護電路能不經過延遲直接關斷LDO。

圖3虛框B區電路能解決屏蔽時間內大電流可能導致功率管瞬間燒毀的問題，當延遲時間內出現很大過流信號時，能及時關斷功率管，保證系統安全。關斷電路由比較器乙和NMOS開關管M1組成。

當過流信號超過最大限制電流IMAX（此時VSENSE》VMAX）時，比較器乙輸出VCOUT為高電平導致開關管M1導通，使得VCO強行為低電平而不受屏蔽電路影響并同步關斷LDO，保證功率管安全。當過流電流不是太大時，比較器輸出電壓VCOUT為低，開關管M1不導通，不影響屏蔽電路工作。

圖3所示的改進電流保護電路能夠實現圖1（b）所期望的“屏蔽”區工作模式。負載電流過流最大持續作用時間tMAX和最大過流幅值IMAX即為“屏蔽”區的時間和幅值邊界。實際應用中，功率管能承受的熱功耗和擊穿電流是有限的。最大持續作用時間tMAX由功率管能承受的熱功耗和散熱性能決定，而功率管的最大擊穿電流確定了過流的最大幅值IMAX。

對于特定的應用需要，通過設定合理的屏蔽時間與最大過流幅值，能使LDO更高效地運行。

“屏蔽”模式的邏輯關系如圖4所示，其中VB1和VCOUT分別為比較器甲和乙的輸出信號，VB1經過一個延遲時間后輸出信號為VB2，屏蔽電路輸出電壓為VBOUT，VCO為屏蔽電路的輸出端。VB1、VB2和VBOUT的波形反應了屏蔽電路的邏輯關系，只有當VB1和VB2同時為高電平，VBOUT才為低電平，否則VBOUT一直為高電平，因此屏蔽電路屏蔽了延遲時間內的脈沖信號，保持寬脈沖信號；VCOUT為使能端，只要VCOUT為高電平，VCO立即變為低電平。

圖4“屏蔽”電路邏輯關系圖

簡單過流保護電路設計方案（二）

采用電流傳感器進行電流檢測

過流檢測傳感器的工作原理如圖1所示。通過變流器所獲得的變流器次級電流經I／V轉換成電壓，該電壓直流化后，由電壓比較器與設定值相比較，若直流電壓大于設定值，則發出辨別信號。但是這種檢測傳感器一般多用于監視感應電源的負載電流，為此需采取如下措施。由于感應電源啟動時，啟動電流為額定值的數倍，與啟動結束時的電流相比大得多，所以在單純監視電流電瓶的情況下，感應電源啟動時應得到必要的輸出信號，必須用定時器設定禁止時間，使感應電源啟動結束前不輸出不必要的信號，定時結束后，轉入預定的監視狀態。

啟動浪涌電流限制電路

開關電源在加電時，會產生較高的浪涌電流，因此必須在電源的輸入端安裝防止浪涌電流的軟啟動裝置，才能有效地將浪涌電流減小到允許的范圍內。浪涌電流主要是由濾波電容充電引起，在開關管開始導通的瞬間，電容對交流呈現出較低的阻抗。如果不采取任何保護措施，浪涌電流可接近數百A。

開關電源的輸入一般采用電容整流濾波電路如圖2所示，濾波電容C可選用低頻或高頻電容器，若用低頻電容器則需并聯同容量高頻電容器來承擔充放電電流。圖中在整流和濾波之間串入的限流電阻Rsc是為了防止浪涌電流的沖擊。合閘時Rsc限制了電容C的充電電流，經過一段時間，C上的電壓達到預置值或電容C1上電壓達到繼電器T動作電壓時，Rsc被短路完成了啟動。同時還可以采用可控硅等電路來短接Rsc。當合閘時，由于可控硅截止，通過Rsc對電容C進行充電，經一段時間后，觸發可控硅導通，從而短接了限流電阻Rsc。

采用基極驅動電路的限流電路

在一般情況下，利用基極驅動電路將電源的控制電路和開關晶體管隔離開。控制電路與輸出電路共地，限流電路可以直接與輸出電路連接，工作原理如圖3所示，當輸出過載或者短路時，V1導通，R3兩端電壓增大，并與比較器反相端的基準電壓比較。控制PWM信號通斷。

通過檢測IGBT的Vce

當電源輸出過載或者短路時，IGBT的Vce值則變大，根據此原理可以對電路采取保護措施。對此通常使用專用的驅動器EXB841，其內部電路能夠很好地完成降柵以及軟關斷，并具有內部延遲功能，可以消除干擾產生的誤動作。其工作原理如圖4所示，含有IGBT過流信息的Vce不直接發送到EXB841的集電極電壓監視腳6，而是經快速恢復二極管VD1，通過比較器IC1輸出接到EXB841的腳6，從而消除正向壓降隨電流不同而異的情況，采用閾值比較器，提高電流檢測的準確性。假如發生了過流，驅動器：EXB841的低速切斷電路會緩慢關斷IGBT，從而避免集電極電流尖峰脈沖損壞IGBT器件。

簡單過流保護電路設計方案（三）

直流電路的過流保護設計方法

電子保護電路具有高速斷流、恢復容易的特點，可應用于任何直流電路中作過流保護裝置。而采用普通熔絲的保護電路，其過電流反應是較遲鈍的，因而不能作為靈敏的保護裝置。

原理：電子保護電路如附圖所示。當微動開關Ｋ接通時，單向晶閘管ＳＣＲ導通，直流電路也導通。當用電量增大到超過規定的允許值時，檢測電阻Ｒ１上的電壓大于０．７Ｖ時，晶體管ＢＧ導通，此時晶體管集電極Ｃ和基極ｂ間的電壓下降到低于３ＣＴ的維持電壓，３ＣＴ關斷，切斷供電電路。

元件選擇：當電路兩端電壓≤１００Ｖ時，ＢＧ用３ＤＤ１５Ｃ，單向晶閘管ＳＣＲ可用６Ａ／４００Ｖ。Ｒ１的阻值是根據電源所允許的電流確定的，即Ｒ１＝０．７／Ｉ（Ｉ為電源允許電流）。若電路的耗電是５Ｗ，Ｒ２阻值為０．３５Ω的線繞電阻，允許通過的電流為２Ａ。

簡單過流保護電路設計方案（四）

帶自鎖的過流保護電路

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1.第一個部分是電阻取樣，負載和R1串聯，大家都知道。串聯的電流相等，.R2上的電壓隨著負載的電流變化而變化，電流大，R2兩端電壓也高，.R3 D1組成運放保護電路，防止過高的電壓進入運放導致運放損壞，.C1是防止干擾用的。

2.第二部分是一個大家相當熟悉的同相放大器，由于前級的電阻取樣的信號很小，所以得要用放大電路放大。才能用，放大倍數由VR1 R4決定。

3.第三部分是一個比較器電路，放大器把取樣的信號放大，然后經過這級比較，從而去控制后級的動作，是否切斷電源或別的操作，比較器是開路輸出。所以要加上上位電阻，不然無法輸出高電平。

4.第四部分是一個驅動繼電器的電路，這個電路和一般所不同的是，這個是一個自鎖電路， 一段保護信號過來后，這個電路就會一直工作，直到斷掉電源再開機，這個自鎖電路結構和單向可控硅差不多。

簡單過流保護電路設計方案（五）

過流保護用PTC熱敏電阻通過其阻值突變限制整個線路中的消耗來減少殘余電流值。可取代傳統的保險絲，廣泛用于馬達、變壓器、開關電源、電子線路等的過流過熱保護，傳統的保險絲在線路熔斷后無法自行恢復， 而過流保護用PTC熱敏電阻在故障撤除后即可恢復到預保護狀態，當再次出現故障時又可以實現其過流過熱保護功能 。

過流保護電路圖

簡單過流保護電路設計方案（六）

當電動機啟動時，按一下帶鎖扣式按鈕SBi，啟動結束（電動機轉速穩定后），再按一下SBi，這時保護電路投入工作。對于啟動時間短（如數秒）的電動機，SBi也可采用普通按鈕，只要在啟動過程中一直按著SBi即可。

電動機正常運行時，電流互感器TAi~TA3次級感應電勢較小，也不足以觸發晶閘管V。如下圖所示。

簡單過流保護電路設計方案（七）

電流采樣及信號調理電路設計

常用的電流采樣方式有采樣電阻法和霍爾電流互感器法兩種。在采樣電流精度要求不高的場達母線電流進行采樣，然后對采樣數據進行信號調理，再將調理過后的信號輸入到過流故障保護電路。本文設計了三種過流保護，分別是瞬時過流保護電路、軟件平均電流保護電路和硬件平均電合下，釆樣電阻法有著結構簡單和成本低的優勢。采樣電阻法是在三相全橋電路下橋臂的COM端接一個高精度電阻，將電流信號轉換成電壓信號，通過檢測采樣電阻的電壓值就可以計算出此時三相全橋電路的電流，即馬達母線電流。在本電路設計中，選用了阻值為0.10、精度為1%的電阻作為電流采樣電阻。電流采樣及信號調理電路的硬件設計如圖1所示。

圖1：電流采樣及信號調理電路

在圖1的電路中，采樣電阻的電壓K通過信號調理電路放大到1?1.5V之間，輸入微控制器的AD釆用單元。釆樣信號上疊加了高頻干信號，特別是由馬達換相引起的瞬時尖峰信號，因此在采樣信號調理電路設計了低通濾波器，用于吸收采樣電阻的高頻干擾信號，減小輸入信號的高頻波動。同時在運算放大器的反饋環節上設計了積分電容，減小高頻增益，穩定直流分量，降低高頻干擾信號對輸出信號的影響。

電流保護電路設計

本控制系統設計了三種電流保護電路，分別是軟件平均電流保護電路、硬件電流保護電路和瞬時電流保護電路。

（1）軟件平均電流保護電路

微控制器的AD單元對信號調理電路的模擬輸出信號進行周期性的采樣，轉換為數字信號并計算馬達母線電流，軟件程序通過滑動窗口的方式計算平均電流，對母線的平均電流做窗口限制，并進行故障處理。

（2）硬件電流保護電路

硬件電流保護是通過信號調理電路和過流故障保護電路來實現的，信號調理電路輸出的模擬電壓輸入到過流故障保護電路，并在過流時做故障處理。過流故障保護電路的原理圖如圖2所示。

圖2：過流故障保護電路

在過流故障保護電路的設計中，比較器輸出端幵漏，其同相輸入端為信號調理電路的輸出值，反相輸入端為限流電壓。D觸發器Q端的輸出信號用于控制VEE開關電路的使能與失能。當運行出現故障導致電流大于限定值時，限流比較器輸出高電平，在電平的上升沿，D觸發器的Q端輸出高電平，Q輸出低電平并保持鎖定。M_PTR_OUT控制VEE開關電路關閉。

通過調節信號處理電路的濾波電容和積分電容，濾除高頻波動信號，穩定直流分量，提升硬件電流保護性能。

（3）瞬時電流保護電路

瞬時電路保護電路主要是在運行中對全橋電路的瞬時電流進行監測，減小電路中的高能量尖峰對全橋MOS管的影響。當全橋電路中瞬時電流高于限定值時，保護電路將關閉6路PWM輸出，并開啟報警指示燈；當高壓瞬時電流小于限定值時，將自動開啟PWM驅動輸出。瞬時電流保護電路如圖3所示。

圖3：瞬時電流保護電路的電路

瞬時過流保護電路是通過STM32的BREAK功能來實現的，發生瞬時過流時，比較器輸出反轉置高電平，STM32的主輸出使能位MOE被異步清除，關閉定時器的互補輸出；當瞬時電流降低后，比較器輸出低電平，BREAK剎車無效，主輸出使能位MOE將在定時器的更新事件時自動置1，定時器的互補輸出恢復。