电路断路器提供过流和精确过压保护

2万 · 2014-6-23 23:09

　一个简单的电路断路器提供精密过压和过流保护。

　　仅需要少数廉价元器件，图1中的电路断路器响应过流和过压故障。电路的核心处，一个可调高精度的并联稳压器D2，提供参考电压、比较器和开集电极输出，所有功能都整合到三管脚的封装中。

　　图2显示ZR431, D1的简化电路图。在参考输入处的电压与内部电压基准VREF相比较，名义上是2.5V。在断电状态下，参考电压为0V，输出晶体管处于截止状态，阴极电流小于0.1µA。随着参考电压接近VREF，阴极电流缓慢增加；参考电压超过2.5V的阈值时，装置完全导通，阴极电压降至大约为2V。在这种情况下，阴极和电源之间的阻抗决定阴极电流；阴极电流在50µA至100mA范围内。

　　在正常工作情况下，D2的输出晶体管截止，而且P沟道MOSFET（Q4）的门极通过R9，以至于MOSFET是全面增强的，允许负载电流ILOAD从电源–VS通过R6流到负载处。Q2和电流敏感电阻R6监测ILOAD的幅值，其中Q2的基极和发射极电压VBE是ILOAD×R6。对于ILOAD的正常值，VBE低于Q2偏置所需的0.6V电压值，

2万 · 2014-6-23 23:09

这种情况下晶体管对R3 和R4连结处的电压也没有影响。因为D2参考输入的输入电流小于1µA，通过R5可忽略压降，而参考电压实际上是R4上的电压。

　　当ILOAD超过最大允许值时发生过载情况，R6上的电压增大导致基极-发射极电压足够大到导通Q2。因此，R4上的电压和参考电压上拉到VS，造成D2的阴极电压降至大约2V。D2的输出晶体管通过R7 和 R8的泻放电流，因此偏置Q3导通。Q4的栅极电压通过Q3有效地控制电源，MOSFET从而截止。与此同时，Q3的源电流通过D1流到R4，从而拉动R4的电压，使二极管电压降到低于电源。由于Q2的基极-发射极的电压为0V而截止，因此没有负载电流流过R6。D2的输出晶体管锁存，电路仍处于故障状态，其中的负载电流为0A。选择R6的阻值时要确保在负载电流的最高允许值的条件下，Q2的基极-发射极电压大约低于0.5V。

　　对于过流情况，该断路器还对电源的非正常大电压起作用。当负载电流在正常范围内Q2处于截止状态时，电源幅值以及R3和R4的值，穿过电源轨形成潜在分压器，决定参考输入处的电压。电源电压发生过压情况，R4的电压超过2.5V参考电压，D2的输出晶体管导通。一旦再次发生，Q3导通，MOSFET（Q4）关闭，负载与危险瞬间情况有效隔绝。

　　现在电路仍然处在不定状态一直到复位。在这些条件下，Q3 控制 Q4的栅极电源电压大约接近0V，从而保护MOSFET自身摆脱过多的栅源电压。忽视R5微乎其微的电压值，你可以看到参考电压为VS×R4/(R3+R4)。因为，当参考电压超过2.5V时，D2的输出变高，你可以变换方程为R3=[(VST/2.5)–1]×R4，其中VST是所需的电源跳闸值。例如，如果R4值为10kΩ，18V的跳闸电压需要R3阻值为62kΩ。R3 和 R4选择适当的阻值来设置需要的跳闸电压值，确保它们足够大以至于潜在分压器不会过度负荷供应。同样，由于输入参考电流避免导致误差的值。

　　当你第一次对电路供电，会发现电容、灯泡灯丝、汽车等类似具有大浪涌电流的载荷可以使断路器跳闸，即使正常的、稳态运行的电流低于R6所设置的水平。解决这个问题的一个办法，就是增加电容C2，降低参考输入处电压的变化率。不过，虽然简单，但这种方式有一个严重的缺点，因为它减缓了电路对于真正过流故障的响应时间。

2万 · 2014-6-23 23:09

　器件C1,、R1,、R2和Q1提供了另一种解决方法。当电压变大时，C1初始时放电，导致Q1导通，从而控制参考输入为0V，防止来自跳闸电路的涌电流。然后C1通过R1 和R2 充电，直到Q1最后截止，释放参考输入的控制，并允许电路快速反应过流瞬变。此时C1、R1和 R2的值，电路允许涌电流在大约400毫秒内平息下来。选择其它值可以使电路容纳适用于负载的任何时限的涌电流。一旦你的电路断路器跳闸，再次供电或者按下复位开关S1则可以复位。如果你的应用不需要涌电流保护，干脆省略C1、R1和 R2，并在参考输入和0V之间接入S1。

　　在选择元器件时，确保所有的元器件妥善适应它们将遇到的电压和电流水平。双极晶体管没有特别的要求，虽然这些晶体管，尤其Q2和Q3，应具有高电流增益，Q4应该有较低的阻值，并且Q4的最大漏源极电压和栅源极电压必须与最高电源电压相同。你可以为D1使用几乎任何一个小信号的二极管。作为一项预防措施，如果有非常大的瞬态电压，适当的齐纳二极管D3 和D4保护D2可能是有必要的。

　　虽然该电路利用431器件，是市面从不同厂家都有的广泛产品，对于D2，并不是所有这些产品都表现的一模一样。举例来说，测试了德州仪器的TL431CLP和Zetex公司的ZR431CLP，显示当参考电压为0V时两个器件的阴极电流是0A。但是，逐步把参考电压从2.2V提高到2.45V，对于TL431CLP而言，阴极电流由220提高到380µA，而ZR431CLP是从 23到28µA—两者大概有10种区别。在选择R7 和R8的阻值时，你必须考虑这两种不同大小的阴极电流的区别。

2万 · 2014-6-23 23:10

　　你所使用的D2类型和你选择的R7 和R8的阻值也对响应时间有影响。TL431CLP的一个测试电路，其中R7 是1kΩ，R8是4.7kΩ，对于瞬态过流的响应时间是550ns。用ZR431CLP更换TL431CLP，其响应时间约为1µs。增加R7 和R8的阻值分别到10和47kΩ，则响应时间为2.8µs。注意到TL431CLP产生较大的阴极电流需要相应阻值较小的R7和R8。

　　为了设定过压跳闸水平在18V，R3 和 R4必须具备阻值分别为62和10kΩ。测试电路实验得出如下结果：D2采用TL431CLP，电路在17.94V跳闸，D2采用ZR431CLP，跳闸电压为18.01V。依靠Q2的基极-发射极电压，过流检测机制的精度低于过压功能。然而，用一个高端电流检测放大器产生与负载电流成正比的地电流来取代R6和 Q2，过流检测精度将大大提高。这些器件可从Linear技术公司、Maxim、德州仪器公司和Zetex等公司得到。

　　电路断路器被证明是很有用的应用，例如汽车系统，需要过流检测，以防止错误载荷；还需要过压保护，屏蔽敏感电路受到高能负载瞬变时的影响。除了流过R3 和R4的小电流，以及D2的阴极电流，在正常、非跳闸情况下，对于电源，电路没有电流流出。

电路断路器提供过流和精确过压保护

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