一文詳解純硬件過流保護電路

來源：互聯(lián)網(wǎng)

在電源及電機控制中常用到過流保護功能，這需要對電流進行采樣。

同時，如果用單片機實現(xiàn)檢測電流進行保護的話需要消耗大量CPU時間，因此我用硬件電路設計了一種帶自鎖功能的過流保護模塊，這對于過流保護可以實現(xiàn)模塊化，方便使用。

該模塊采用ACS712霍爾傳感器采集電流，可將正負過流保護值可以分開來設定，將輸出轉為0-3.3V的電壓，方便DSP采樣，最后繪制了PCB，制作了出來。

一、電流采樣電路的設計

采樣電路的比較

電流采樣電路通常有“高（壓）端電流采樣”和“低（壓）端電流采樣”和“霍爾傳感器采樣”三種采樣電路，如下圖所示，給出高端和低端兩種采樣電流形式。

低端電流采樣

高端電流采樣

1.高端電流檢測具有如下特點：

優(yōu)點：可以檢測區(qū)分負載是否短路、無地電平干擾

缺點：共模電壓高，使用非專用分立器件設計較復雜、成本高、面積大

2.低端電流檢測具有如下特點：

優(yōu)點：共模電壓低，可以使用低成本的普通運算放大器

缺點：檢測電流電阻的引入地電平干擾，電流越大地電位干擾越明顯，有時至會影響負載

3.霍爾傳感器采樣具有如下特點：

優(yōu)點：對采樣信號進行隔離，適合大功率場合

缺點：易受到電磁干擾的作用

本設計考慮到通用型，同時整個系統(tǒng)電流采樣保護都與控制部分隔離的情況，采用霍爾電流傳感器ACS712進行電流采樣。

二、轉換為0-3v輸出信號調理電路的設計

ACS712采用單電源5V供電，輸出具有很好的線性度，如下圖所示。

ACS712輸出電壓與檢測的電流關系

可以看出，當檢測電流為0A時，輸出2.5V，當電流為+5A時輸出電壓3.5V，當電流為-5V時輸出為1.5V，具有很高的線性度。但是通常DSP的AD采樣量程時0-3.3V的，這就需要運行進行調理，轉換為0-3.3V之間的電壓。

（注意：由于運放是單電源5V供電，因此需要用軌對軌運放，如LMV358。）

由于ACS712輸出帶載能力有限，通常采用一級電壓跟隨提高帶載能力。之后在后級先用電阻分壓，再送入同相比較端，同相放大一倍。分壓電阻R2、R3需要先將0-5V的電壓分為0-1.5V的電壓，因此電阻比為3：7。在后級同相比例放大兩倍即為0-3V之間的電壓值。電路如下圖所示：

輸出調理電路

調理電路仿真

三、比較及鎖存保護電路的設計

本設計的重點在于當出現(xiàn)過流后能自動切斷輸出，并保持切斷的狀態(tài)。這就需要對電流信號進行比較和對輸出信號進行鎖存。

本設計考慮到正負過流保護值可能不同，同時觸發(fā)器通常有兩路輸入輸出，因此設計了兩路保護電路，通過按鍵進行復位。

鎖存及復位電路的設計

下圖為比較和鎖存部分電路，用到D觸發(fā)器74HC74和電壓比較器。

74HC74是一種雙D型觸發(fā)器，有設置和重置引腳，正脈沖觸發(fā)。此處直接用運放當作比較器用，需要注意的是運放通常是推挽輸出，比較器是集電極開路輸出，若換做比較器的話，需要加上拉電阻，可以實現(xiàn)“線與”。

比較和鎖存電路圖

74HC74的控制邏輯如下表所示，本次設計用到的小表中黃色強調部分的邏輯。當電流小于設定的過流保護值時，比較器輸出為低電平。

一旦出現(xiàn)過流，比較器輸出高，產(chǎn)生上升沿到74HC74的CP端，數(shù)據(jù)位的高電平被鎖存到輸出端Q，反相輸出端 輸出為低電平。

74HC74邏輯圖

當復位按鍵被按下時， 為低電平有效，表現(xiàn)為表中綠色部分邏輯，輸出端Q為低電平，與保護時邏輯反相。

以上控制部分邏輯通過Multisim進行了仿真，其中所有的模擬量給的是通過電阻分壓給的，仿真電路如下：其中R1為模擬ACS712的輸出，R4為負過流保護設定值，R5為正過流保護設定值。

控制部分邏輯仿真電路圖

外部控制信號輸入

為了方便DSP/MCU控制繼電器，如下電路實現(xiàn)了控制信號和兩路過流信號的“或”邏輯運算，通過Multisim仿真可以看出，只要任意開關閉合（被置為高電平），輸出變?yōu)榈碗娖健?/p>

圖4-5 外部控制端邏輯圖及Multisim仿真

四、繼電器驅動及指示部分設計

下圖為P溝道MOSFET驅動繼電器電路圖，由于74HC74輸出驅動能力有限，輸入輸出電流只有20mA，而繼電器通常要求驅動能力為100mA以上。

因此可以通過如下驅動P溝道Mosfet的方法提高帶載能力：當SAFE+、SAFE、-SD端都為低電平時，DRIVE端為高電平，Q1的GS端電位為0，MOSFET關斷；當DRIVE端為低電平時，MOSFET導通，驅動繼電器動作。

繼電器及驅動電路圖

由于繼電器鐵芯有電感作用，因此在需要反并聯(lián)二極管續(xù)流。當關斷時，二極管導通，提供續(xù)流通道。

狀態(tài)指示部分電路圖

審核編輯 黃昊宇