一種新型過流保護設計

劉 力，劉少龍，王云鵬，徐葉斌，吳 超

（中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

隨著科技的進步與發展，各種便民式智能電子設備在人們的日常生活中已隨處可見。為滿足該類設備的供電需要，供電技術也在不斷發展進步。開關電源因具有體積小、效率高以及輸出穩定的優點而被廣泛應用于各領域。它利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，從而維持輸出電壓的穩定，效率達到70%～95%，被譽為高效節能電源[1-4]。開關電源的性能參數越來越受到人們的重視，實際應用中應將安全性和可靠性放在首位[5]。過流保護（Over Current Protect，OCP）是開關電源的一個重要性能參數。過流保護功能是當負載電流超過額定值時，通過觸發過流保護機制從而切斷電路的一種保護方式[6]。過流保護對于開關電源的防護及設備的安全性至關重要。該背景下，提出一種低成本、高精度、保護速度快的過流保護電路，并通過對該電路進行仿真驗證，證明了該過流保護電路具有很高的工程應用價值。

1 過流的危害

隨著現代智能電子設備的種類及應用場景的不斷增加，因設備損壞而造成的損失及影響程度也在不斷擴大。而在眾多類型的故障中，由設備過流造成的影響最大。設備過流故障發生時，經常會出現火災、煙塵以及爆炸等事故。設備電源發生故障或負載短路都會使電流過大。當電流大小超過某一電流值時，很有可能燒壞電路或負載，甚至引發火災[7]。當電路發生過流故障并且故障未被及時切斷時，故障負載會降低輸入源的電壓，從而對整個供電系統造成巨大傷害，因此一個良好的過流保護措施對穩定運行的開關電源非常重要。

2 過流保護措施

2.1 保險絲

保險絲也稱熔斷器，是最早使用的一種過流保護元件，在電路中一般串接在電源輸出端。保險絲保護電路如圖1所示。保險絲一般由熔點較低的材料制成，電流流過時會產生熱量。當電路短路時會有大電流流過保險絲，導致保險絲產生熱量的速度大于熱量耗散的速度。溫度升高到保險絲的熔點時，保險絲熔斷切斷電流，從而保護后級設備。但是，由于保險絲熔斷時可能會產生飛弧、引燃、燒毀周圍的元器件，目前在精密電子設備中已經不允許使用保險絲。

圖1 保險絲保護電路

2.2 傳統過流保護電路

隨著電子元器件的發展，用分立器件搭建的過流保護電路得到了廣泛應用。傳統過流保護電路基本原理如圖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為功率開關管，C1和Rload分別為輸出電容和負載電阻。傳統過流保護電路的過流保護原理如下：當電路在額定電流以內正常工作時，Rsense上的壓降較小，不足以導通Q2，電路正常工作；當出現輕載或短路時，Rsense上的電流和其兩端的壓降急劇增大；當Rsense兩端的壓降達到反饋回路Q2的導通電壓時，Q2導通，同時功率開關管Q1的基極電壓降低，Q1關斷，從而切斷電路，保護后期設備；當電路恢復正常時，流過Rsense的電流減小，Q2關斷，功率開關管Q1重新打通，電路開始工作。負載過流或短路時，Rsense的兩端電壓差計算公式為

圖2 傳統過流保護電路基本原理

式中：UBE表示開關管Q2的導通電壓。

由式（1）可知，該過流保護電路受Rsense精度和Q2導通電壓的影響較大，對元器件的精度要求較高且反應速度慢，因此該保護方式只適用于對過流門限要求不高的設計。

2.3 集成芯片過流保護電路

隨著電路集成度不斷加深，集成芯片的功能越來越多，具有過流保護功能的電路被大量集成在電路保護芯片。過流保護芯片的過流保護類型大致分為2類：一是可恢復式保護，當電流超過額定值時觸發保護，故障消除后可以自動恢復；二是鎖定關閉保護，當電路出現故障時觸發保護，閉鎖電路，需要重啟后電路才可以恢復工作。集成芯片的保護功能往往比較豐富，除了集成過流保護，還會集成過欠壓保護和浪涌保護等。使用集成芯片進行過流保護可能會造成資源浪費，同時在過流保護電路中使用集成芯片時，會出現大量的外圍電路，使過流保護成本大大增加，因此該保護方式對于成本低及布局小的電路不適用。

3 新型過流保護電路設計

3.1 過流保護設計電路圖

文章提出的新型過流保護電路如圖3所示。當電路正常工作時，MOSFET開關管Q1正常打開，電流流過Rsense，并通過開關管Q1流向負載設備。當出現輕載或短路故障時，Q1會迅速關斷，切斷電路從而保護后級負載設備。本設計具有較快的反應速度和較高的精度，延遲時間小于50 μs，電流分辨精度小于100 μA，一旦發生過流故障，就會立即觸發電路保護。

圖3 新型過流保護電路

3.2 過流保護原理

該過流保護電路主要由高精度運算放大器、匹配電阻、MOSFET開關管以及一個MOSFET開關控制器組成。在選擇匹配電阻時，需要注意匹配電阻的比例會直接影響采樣電流的精度，匹配反饋電阻阻值過大會影響保護速度[9,10]。當電路正常工作時，電流流過Rsense并產生壓降，Rsense兩端的電壓值U1和U2被輸入運算放大器N1進行差模放大計放大后的電壓差U12的計算公式為

當電阻完全匹配，即R1=R2且R3=R4時，U12的計算公式為

通過高精度運算放大器后，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進行比較。當電路出現短路故障時，負載電流Iload急劇變大，Rsense兩端的電壓差U12＞Uref，比較器輸出低電平，同時高邊MOSFET驅動器G1輸出低電平，從而拉低MOSFET的柵極電壓，使開關管Q1迅速關斷，切斷電路從而保護后級負載設備。該部分的響應情況為Iload↑→U12↑→U4為低電平→U5↓→Uout無輸出。

當電路恢復正常工作時，電路中的負載電流變小，Rsense兩端的壓降降低，此時U12＜Uref，比較器輸出高電平，同時高邊MOSFET驅動器G1輸出高電平拉高MOSFET的柵極電壓，開關管Q1重新打開，電路正常工作。該部分的響應情況為：Iload↓→U12↓→U4為高電平→U5↑→Uout正常輸出。

由過流保護原理可知，該電路通過Rsense把電路中的負載電流信號轉化為電壓信號進行處理，并通過高精度運算放大器及比較器處理電壓信號，從而極大地提高了電路中的電流識別精度。此外，通過高邊MOSFET驅動器控制MOSFET的通斷控制電路的通斷。高邊MOSFET驅動器的響應時間極短，達到微秒級，大大提高了該電路對過流故障的響應速度。

3.3 電路仿真

為驗證新型過流保護電路的過流保護效果，使用仿真軟件LTspice對其進行仿真，按照圖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。根據式（3）及電路的過流保護機制，可以推算出該電路的過流點電流值為1 A，通過調節負載電阻Rload的大小模擬電路的過流情況。過流保護電路仿真結果如圖4所示。從圖4可以看出，當Rload=12.05 Ω時，Iload=0.996 A＜1 A，負載電阻Rload持續有電流流過，電路正常工作，當Rload=11.95 Ω時，Iload=1.004 1 A＞1 A，電路觸發過流保護，高邊MOSFET驅動器快速關斷功率開關管Q1，使電路中的負載電流Iload在30 μs內降為0 A，從而保護后級設備，表明該電路具有良好的過流保護功能。

圖4 過流保護電路仿真結果

4 結 論

文章通過說明現代電路設計中過流保護的重要性，分析總結了現有過流保護方式的原理及不足。同時，以實際工程應用為基礎，提出了一種新型的過流保護電路，通過對保護電路的原理進行說明并進行實例仿真，證明了該電路具有高精度、低成本、保護速度快等優點，且在開關電源的電路保護設計上具有極高的參考價值和使用價值。