Mosfet过流保护电路工作原理及技术特征-KIA MOS管

Mosfet过流(liu)保护电(dian)路

对一个成(cheng)功(gong)设计(ji)的来(lai)说保(bao)护电路是至关重要的。我们(men)来(lai)看(kan)看(kan)如何(he)用运放打造一个过(guo)流保(bao)护电路。

Mosfet过流(liu)保护常用于电(dian)源电(dian)路中(zhong)，用于限制电(dian)源的(de)输(shu)出电(dian)流(liu)。“过流(liu)”这个词是指负载上的(de)电(dian)流(liu)超过了电(dian)源的供(gong)给(ji)限度。这是很(hen)危险的情况，而且很(hen)可(ke)能对电(dian)源造(zao)成损害。所以工程(cheng)师们常用过流(liu)保(bao)护(hu)电路来将负(fu)载与(yu)电源的连(lian)接(jie)断开，从而(er)保(bao)护(hu)两者。

使用运放打造过流保护

过流保护电(dian)路有许多种；其复杂程(cheng)度取(qu)决于过流时保护电(dian)路的(de)反应速度有过快。这(zhei)里我们来(lai)介(jie)绍使用运放打造的过流保护电路，该(gai)设计可以轻易(yi)加入设计中去。该设计加入了可调的过流阈值，同时(shi)还有失(shi)效(xiao)时(shi)自动重(zhong)启功(gong)能(neng)。因为这(zhei)是一(yi)个基于运放的过流保(bao)护电路，所(suo)以我们(men)加入了运放作为(wei)驱动，这(zhei)里(li)用的是常见的LM358。下图为(wei)LM358的引(yin)脚图。

上图可(ke)以看(kan)出，在(zai)这个IC内有(you)两个运放通(tong)道。然而我们(men)只(zhi)需要(yao)用到(dao)其(qi)中的一个。运放需要(yao)通(tong)过MOSFET来闭合(he)（断开(kai)）输出负载。这里我们采用N通道的MOSFET IRF540N。如果负载电流大于500mA的(de)话，建议使用合适的(de)MOSFET散热器。以(yi)下(xia)是(shi)IRF540N的(de)引脚图。

为了(le)给运放和电(dian)路供电(dian)，还用(yong)到了(le)LM7809线(xian)性(xing)稳(wen)压器(qi)。这是一个9V 1A的线(xian)性(xing)稳(wen)压器(qi)，且输入(ru)电(dian)压范(fan)围广。其引(yin)脚图如下

所(suo)需(xu)元器件

至少12V的电源

LM358

IRF540N

100uf/25V的电容(rong)

散热器

50kΩ电位计

精度1%的(de)1kΩ和100kΩ电阻(zu)

1MΩ电阻

1Ω分(fen)流电阻，额(e)定功率为2W

Mosfet过流(liu)保护电(dian)路

过(guo)流保护电路的(de)设计思路是(shi)这样(yang)的(de)，运放来感(gan)知(zhi)电路是(shi)否有过(guo)流发生，基于结果我们驱动MOSFET来将(jiang)负载(zai)与(yu)电源(yuan)相连/断开。电路图如下。

过流保护电路的工作原理

可(ke)以(yi)从上述(shu)电路(lu)图(tu)看出，MOSFET IRF540N在(zai)(zai)正常(chang)与过流(liu)情况(kuang)下控制负载(zai)的连接与关(guan)断。但(dan)在(zai)(zai)关(guan)闭负载之前，检测到负载电流很(hen)重要。而用(yong)于检测电流的方(fang)法就(jiu)是(shi)通过分流电阻(zu)R1，这(zhei)是(shi)一个1Ω2W的分(fen)流电(dian)阻。其测量电(dian)流方(fang)法(fa)被称为(wei)分(fen)流电(dian)阻检流。

当MOSFET导(dao)通时(shi)，负(fu)载电流(liu)从MOSFET的漏极流(liu)向源极，最(zui)后通过分流(liu)电阻导(dao)向GND。基于负(fu)载电流(liu)(liu)，分(fen)流(liu)(liu)电阻会产生一个压降，这样我们可以用欧姆定律来进行计算。假设1A的负载(zai)电流(liu)(liu)，则分(fen)流(liu)电(dian)阻上的压(ya)降为(wei)1V，因为(wei)V=I x R。所以(yi)将该电(dian)压(ya)与使用运放时的预(yu)设电(dian)压(ya)相比，我们(men)就可以(yi)检测到过流并改变(bian)MOSFET的状态，从而切(qie)断负载。

运放常被用(yong)于数学运算，比如加(jia)法，减法和乘(cheng)法等。然而，这个电路中，LM358的配置为比较器。由(you)图(tu)可知，该比较器会比较两个(ge)值的大小。第(di)(di)一(yi)个(ge)值是分流电阻间的压降(jiang)大小，第(di)(di)二个(ge)值是用可调电(dian)阻或电(dian)位计RV1生成(cheng)的(de)预设(she)电(dian)压(ya)（参考电(dian)压(ya)）。RV1的(de)作(zuo)用是分(fen)压(ya)器。分(fen)流电(dian)阻间的(de)压(ya)降(jiang)则导入比较器(qi)的(de)反向引脚，而参考电压则连接(jie)到比较器(qi)的(de)同向引脚。

正(zheng)因(yin)如此，如果(guo)感应电(dian)压(ya)小于参(can)考(kao)电(dian)压(ya)的话，比较器会(hui)在输(shu)出生成正(zheng)电(dian)压(ya)（接近(jin)比较器的VCC），反之(zhi)则为负电压（接地，所以此处为0V）。因(yin)此电压足(zu)够控制MOSFET的(de)开关。

处理暂态响应/稳定性的问题

但(dan)当大负载与电源断开连接时，瞬间的改(gai)变会(hui)在比(bi)较器上(shang)产生一个(ge)线(xian)性区间，这会(hui)造(zao)成(cheng)一个(ge)循环导致比较器无法正常开关负载(zai)，且运放会变得不(bu)稳定。比如(ru)，假(jia)设(she)用电位(wei)计将(jiang)1A设(she)置为(wei)MOSFET关断的阈值。这(zhei)时，比较(jiao)器检(jian)测到分流(liu)电阻间的压降(jiang)为1.01V，那么比较(jiao)器会断开负载(zai)。暂态(tai)响应(ying)提高了参(can)考电压(ya)，迫(po)使比较器(qi)在一个线性区间(jian)工作。

解决(jue)该问题的(de)(de)最好办(ban)法就是在比(bi)较器(qi)上使(shi)用稳(wen)定的(de)(de)电源，这样瞬态改变不(bu)会影响比(bi)较器(qi)的(de)(de)输入电压和参考电压。不仅(jin)如此，比较器上需要加入额(e)外的(de)(de)滞后。在该电路中，我(wo)们使(shi)用的(de)(de)是线性稳压器LM7809和滞后电(dian)阻(zu)R4,100kΩ的电(dian)阻(zu)。LM7809位比较器提(ti)供了(le)合(he)理的电(dian)压(ya)，这样电(dian)源线上的暂态改变不会影响比较器(qi)。C1,100uF电容(rong)则用于(yu)输出电压的滤波。

滞后(hou)电阻R4将(jiang)小(xiao)部(bu)分输入(ru)导入(ru)到运放输出上，从而在低阈(yu)值(zhi)（0.99V）和高(gao)阈(yu)值(zhi)（1.01V）间创造了一个电压差。这样达到阈值后比(bi)较器不会(hui)立即改变状(zhuang)态，不仅如此，要(yao)使状(zhuang)态从高到低，那么检(jian)测电压应低于(yu)低阈值（比如0.97V而(er)不是0.99V），而(er)要从(cong)低到高(gao)，检(jian)测电压应高(gao)于(yu)高(gao)阈值（比如1.03而不(bu)是1.01）。这会提升比较器的稳定性，并减少错误出发的情况(kuang)。R2和R3则用于(yu)控制MOSFET栅(zha)极，R3是MOSFET栅(zha)极下(xia)拉(la)电阻。

MOS管过流保护电路制作技术特征

MOS管(guan)过(guo)流保(bao)护电路(lu)，用于与MOS管(guan)连接，其(qi)特征在(zai)于，所(suo)述MOS管(guan)过(guo)流保(bao)护电路(lu)包括第一(yi)电容(C1)、充电(dian)(dian)电(dian)(dian)路(lu)(L1)、放电(dian)(dian)电(dian)(dian)路(lu)(L2)与(yu)MOS管断开电(dian)(dian)路(lu)(L3)；所(suo)述第一(yi)电容(C1)串联在(zai)MOS管的S极与(yu)MOS管的D极之间(jian)；

所述(shu)(shu)充电(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(L1)与放电(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(L2)并联后串联在(zai)所述(shu)(shu)第(di)一电(dian)(dian)(dian)容(C1)与MOS管驱(qu)动电(dian)(dian)(dian)路(lu)之间，所述(shu)(shu)充(chong)电(dian)电(dian)路(L1)用于根据MOS管驱(qu)电(dian)路传输(shu)的MOS管导通信(xin)号，并对所(suo)述第一电(dian)容(C1)充(chong)电(dian)，使所(suo)述第一电(dian)(dian)容(C1)的充(chong)电(dian)(dian)电(dian)(dian)压随(sui)MOS管的导通电(dian)(dian)压VDS同(tong)步(bu)升降；

所(suo)述放电(dian)(dian)电(dian)(dian)路(lu)(L2)用于根据MOS管(guan)驱动电(dian)(dian)路(lu)传输的MOS管(guan)断开(kai)信号，并对(dui)所(suo)述第一电(dian)(dian)容(C1)完全放电；所述(shu)(shu)(shu)MOS管(guan)断开电路(L3)串(chuan)联在所述(shu)(shu)(shu)第(di)一电容(C1)与MOS管(guan)的G极之间，用于(yu)在所述(shu)(shu)(shu)第(di)一电容(C1)的(de)充电电压(ya)(ya)超(chao)过预设稳压(ya)(ya)值时，将MOS管的(de)G极电压(ya)(ya)降低，从(cong)而使MOS管断开(kai)。

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