對一個成功設計的來說保護電路是至關重要的，過流保護常用于電源電路中，用于限制電源的輸出電流。“過流”這個詞是指負載上的電流超過了電源的供給限度。這是很危險的情況，而且很可能對電源造成損害。所以工程師們常用過流保護電路來將負載與電源的連接斷開，從而保護兩者。


使用運放打造過流保護
過流保護電路有許多種；其復雜程度取決于過流時保護電路的反應速度有過快。這里我們來介紹使用運放打造的過流保護電路，該設計可以輕易加入你的設計中去。

該設計加入了可調的過流閾值，同時還有失效時自動重啟功能。因為這是一個基于運放的過流保護電路，所以我們加入了運放作為驅動，這里用的是常見的LM358。下圖為LM358的引腳圖。

上圖可以看出，在這個IC內有兩個運放通道。然而我們只需要用到其中的一個。運放需要通過MOSFET來閉合（斷開）輸出負載。這里我們采用N通道的MOSFET IRF540N。如果負載電流大于500mA的話，建議使用合適的MOSFET散熱器。以下是IRF540N的引腳圖。
為了給運放和電路供電，還用到了LM7809線性穩壓器。這是一個9V 1A的線性穩壓器，且輸入電壓范圍廣。其引腳圖如下。


所需元器件


· 至少12V的電源


· LM358


· IRF540N


· 100uf/25V的電容


· 散熱器


· 50kΩ電位計


· 精度1%的1kΩ和100kΩ電阻


· 1MΩ電阻


· 1Ω分流電阻，額定功率為2W


過流保護電路
過流保護電路的設計思路是這樣的，運放來感知電路是否有過流發生，基于結果我們驅動MOSFET來將負載與電源相連/斷開。電路圖如下。
過流保護電路的工作原理


可以從上述電路圖看出，MOSFET IRF540N在正常與過流情況下控制負載的連接與關斷。但在關閉負載之前，檢測到負載電流很重要。而用于檢測電流的方法就是通過分流電阻R1，這是一個1Ω 2W的分流電阻。其測量電流方法被稱為分流電阻檢流。


當MOSFET導通時，負載電流從MOSFET的漏極流向源極，最后通過分流電阻導向GND。基于負載電流，分流電阻會產生一個壓降，這樣我們可以用歐姆定律來進行計算。假設1A的負載電流，則分流電阻上的壓降為1V，因為V=I x R。所以將該電壓與使用運放時的預設電壓相比，我們就可以檢測到過流并改變MOSFET的狀態，從而切斷負載。


運放常被用于數學運算，比如加法，減法和乘法等。然而，這個電路中，LM358的配置為比較器。由圖可知，該比較器會比較兩個值的大小。第一個值是分流電阻間的壓降大小，第二個值是用可調電阻或電位計RV1生成的預設電壓（參考電壓）。RV1的作用是分壓器。分流電阻間的壓降則導入比較器的反向引腳，而參考電壓則連接到比較器的同向引腳。


正因如此，如果感應電壓小于參考電壓的話，比較器會在輸出生成正電壓（接近比較器的VCC），反之則為負電壓（接地，所以此處為0V）。因此電壓足夠控制MOSFET的開關。


處理暫態響應/穩定性的問題


但當大負載與電源斷開連接時，瞬間的改變會在比較器上產生一個線性區間，這會造成一個循環導致比較器無法正常開關負載，且運放會變得不穩定。比如，假設用電位計將1A設置為MOSFET關斷的閾值。這時，比較器檢測到分流電阻間的壓降為1.01V，那么比較器會斷開負載。暫態響應提高了參考電壓，迫使比較器在一個線性區間工作。


解決該問題的最好辦法就是在比較器上使用穩定的電源，這樣瞬態改變不會影響比較器的輸入電壓和參考電壓。不僅如此，比較器上需要加入額外的滯后。在該電路中，我們使用的是線性穩壓器LM7809和滯后電阻R4，100kΩ的電阻。LM7809位比較器提供了合理的電壓，這樣電源線上的暫態改變不會影響比較器。C1，100uF電容則用于輸出電壓的濾波。
滯后電阻R4將小部分輸入導入到運放輸出上，從而在低閾值（0.99V）和高閾值（1.01V）間創造了一個電壓差。這樣達到閾值后比較器不會立即改變狀態，不僅如此，要使狀態從高到低，那么檢測電壓應低于低閾值（比如0.97V而不是0.99V），而要從低到高，檢測電壓應高于高閾值（比如1.03而不是1.01）。這會提升比較器的穩定性，并減少錯誤出發的情況。R2和R3則用于控制MOSFET柵極，R3是MOSFET柵極下拉電阻。


設計建議


· 輸出端的RC緩沖電路可以有效提高EMI性能。


· 特殊情況下可以使用更大的散熱器及特定的MOSFET。


· 完善的PCB板可以提升電路的穩定性。


· 分流電阻額定功率需要根據功率定律和負載電流進行調整。


· 為了小封裝可以采用mΩ級的低阻值電阻，但其壓降會變少。為了補償壓降可以增加一個合適增益的放大器。


· 如果要提高檢流精度的話，建議使用獨立的檢流放大器。