電動工具保護電路的設計仿真與應用

解品星，于韶東，項學良

（上汽通用東岳汽車有限公司，山東 煙臺 264006）

0 引 言

目前大多數制造工廠對手持式電動工具的應用較為廣泛，而在應用過程中會遇到一系列安全問題。經驗證發現安全問題主要包括兩種，一種是過電壓造成CPU電路和控制電源電路的損壞，另一種則是過電流造成驅動電路的損壞。電池的能量密度較大，會對人體造成不同的傷害。根據在電動工具應用過程中發現的安全隱患問題，通過設計過電流和過電壓保護電路來增加電動工具的生命周期，保證使用安全，降低損失[1]。

1 保護電路總體設計

整個保護電路設計包括電源啟動保護電路、過電壓保護電路以及過電流保護電路3部分，通過控制電源電路和CPU電路形成多路閉環反饋電路來實現整體電路保護的功能[2]。設計邏輯框圖如圖1所示。

圖1 保護電路設計邏輯框圖

其中，啟動保護電路通過檢測采集電壓和電流信號，發生故障時能夠快速切斷電池電源對控制電源管理的供電，保證其他電路不受到損壞。電動工具運行超過過電壓保護電路的門檻電壓時，會將檢測到的過電壓信號傳給單片機，從而啟動保護電路，切斷電池電源。電流采集電路實時采集驅動電路的電流信號，電流過大時會將采集的信號傳給單片機，同樣會切斷電池電源[3]。

2 保護電路硬件設計

2.1 電源啟動保護電路設計

電源啟動保護電路如圖2所示，電池電源VCC1通過兩個N溝道MOS管，2個P溝道MOS管來實現啟動、自鎖以及控制電源VCC2,形成電池電源VCC1到其他控制電源VCC2的閉環控制。Q8門極通過分壓電阻得到一個觸發電壓，才能使VCC2得到有效電壓，通過單片機控制形成自鎖且通過電壓電流的檢測采集使電路板其他電路得到保護[4]。

圖2 電源啟動保護電路圖

2.2 過電壓保護與過流保護電路設計

過電壓保護電路如圖3（a）所示，選用LMV331芯片，檢測VCC2電壓，當高于其門檻電壓時LMV331輸出高電平控制電源保護電路中Q10的門極觸發電壓，Q7、Q10導通，Q8門極得到控制，切斷VCC2電壓，使其他電路得到保護[5]。過流保護電路如圖3（b）所示，選用芯片LMV7219，通過采樣電阻R27采集電流信號，電流過高時LMV7219輸出低電平給單片機，通過編程控制電源保護電路Q9的門極，使Q9截止，Q8的門極得到控制，從而使VCC2得到保護[6]。

圖3 設計保護電路圖

3 Multisim仿真

使用Multisim軟件仿真設計的電氣原理圖，通過仿真可以驗證該設計的功能，并且能夠及時有效的發現電路中存在的問題[7]。

3.1 啟動保護電路的仿真

根據設計的原理圖，對啟動電源保護電路進行充分驗證，如圖4所示。在設計的控制電源自鎖電路中Q8沒有輸出時，Q9的門極得不到控制電壓，從而VCC2沒有輸出電壓。在電池電源啟動后得到一個瞬時輸出電壓給電源管理電路，從而激活單片機，使Q9門極得到一個控制電壓形成自鎖（仿真時加了一個直流5 V的電壓進行驗證），這樣便可以控制VCC2的輸出[8]。

圖4 啟動保護電路仿真示意圖

3.2 過電壓保護電路仿真

通過仿真驗證可以確定所設計的過壓保護門檻電壓是45 V。當VCC2電壓小于45 V時，LMV331輸出低電平，從而控制啟動電源保護電路中Q10的門極電壓，使其不導通。當VCC2大于45 V時，LMV331輸出高電平，從而通控制MOS管Q10導通，保護VCC2電壓輸出，這與分析的電氣原理相吻合，如圖5所示[9]。

圖5 過電壓保護仿真示意圖

3.3 過電流保護電路仿真

為驗證對大電多流可以開啟保護，仿真時用直流電壓源作為信號的輸出，根據歐姆定律便可以推算出最大的保護電流。當采集電壓低于1.6 V時，LMV7219輸出高電平；采集電壓高于1.6 V時，LMV7219輸出低電平[10]。根據歐姆定律計算可得過流保護的最大值在8 A左右，而LMV7219輸出的信號直接傳給單片機，通過程序控制啟動電源保護電路的MOS管Q9的門極，從而對VCC2起到保護作用。

4 結 論

通過對電動工具保護電路的設計研究，并仿真驗證設計的功能，其可以應用于各類手持電動工具的保護電路。此電路的設計與應用可以避免應用過程中存在的安全隱患問題，使過電壓或過電流電路及時對主電路板進行保護。此外，設計所采用的的元器件性能穩定且運行可靠，可以搭建不同電壓等級的保護電路，應用前景廣闊。