具有自动重连的过流保护电路设计

葛 欣

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

1 引 言

随着航天技术的发展，为满足国防安全需要，越来越多的电子系统已广泛应用于新型卫星及各类武器装备中。电子系统在宇宙空间受到各种高能粒子和射线的辐射时，容易产生单粒子锁定效应，产生大电流，进而造成电子系统损伤，甚至失效，带来严重的经济损失[1]。

现有的过流保护技术主要有两种模式，第一种为过流续流模式[2]，使系统负载过流后维持负载在已设定的最大电流下进行工作，此模式不能让负载彻底掉电；另一种为关断模式[3]，采用功率开关管方式，当系统负载过流时，功率管关闭，使系统负载与电源断开，切断电源与系统负载之间的通路，达到保护电源与系统负载的目的，此模式下需要外加控制激励使功率开关管导通，达到系统负载与电源重新连接。

针对空间与地面信息通信不能及时使负载系统上电的情况，需要研究一种既能切断电源与系统负载之间的通路，从而使系统负载脱离单粒子锁定状态，达到过流保护的目的，又能在负载切断电源后自动重新连接，以恢复系统负载正常工作状态的功能。

2 电路功能分析

过流保护电路由集成电路芯片及分立元器件组成，电路内部有电流检测放大、比较器、逻辑控制、负压电荷泵电路及功率开关管等器件[4-5]。整体电路原理图如图1 所示。

图1 过流保护电路原理图

过流保护器上电后，VOUT 连接负载时，负载电流Iload从VIN 端口流经检流电阻，当负载电流Iload大于设定的过流阈值Ith时，比较器同相端的输入电压大于反相端参考电压，比较器输出高电平，此高电平信号通过状态处理单元，控制光电耦合器断开电荷泵输出级与功率管栅极连接，功率管栅极电压为VIN，功率管关闭，使VIN 与VOUT 端口切断，负载电流迅速降低，达到过流保护的目的[6]。整体电路分为三个单元，分别为电流检测与比较单元、状态处理单元和输出单元。

2.1 电流检测与比较单元

电流检测与比较单元主要由电流检测器和比较器两部分组成，电流检测器采用LT6106HS 电流检测器[7]，其输入电压2.7～44V，通过外部检流电阻对电流进行采样，内部将输入电压转换成输出电流。比较器采用LT1716 型高精度轨到轨电压比较器，工作电压2.7～44V，输入电压0.5～44V。

由图1 可知R1为检流电阻，流过R1的电流为负载电流Iload，LT6106HS 内部电路为负反馈运放，则输入端3 和输入端4 电压相等，且R2压降等于R1的压降，假设LT6106HSDE 的1 号端口输出电流为Isense，则有：

比较器的同相输入端电压V0为：

比较器的反相端电压为VIN/2，设置比较器的同相端电压与反相端电压相等时的负载电流Iload为限流阈值点Ith，由(1)和(2)可得：

设置限流阈值Ith时，将(3)中Iload更换为Ith，R1为25mΩ，R2为47Ω，则：

由公式(4)可根据VIN 的值，选取适当的电阻Rth，就可达到电流阈值的设定。当负载电流Iload大于设定的阈值电流Ith时，比较器同相端电压大于反相端电压，比较器输出高电平CMP_OUT_SET，此电平为状态处理电路单元的输入端。

2.2 状态处理单元

状态处理单元为由2 只74LVC1G27 型三输入或非门组成的RS 触发器结构电路，其中一只74LVC1G27 的输出端通过反馈信号RE_CONNECT接入其输入端，状态处理单元整体电路的输入端为RESET 和COMP_OUT_SET，输出端为OVER_FLAG和RS_OUT。其真值表如表1 所示。

表1 状态处理单元电路真值表

VCC 上电瞬间，VCC 电压通过电容C1在瞬态下使RESET 为高电平，比较器上电输出低电平，此时RS 触发器为表1 中State0 状态，RS_OUT 输出高电平，OVER_FLAG 低电平；VCC 上电稳定后，RESET 端通过电阻R7放电，变为低电平，过流保护电路工作，负载电流Iload小于Ith，未发生过流现象，比较器输出COMP_OUT_SET 低电平，RS 触发器为State1 状态；当负载系统发生短路或单粒子锁定现象时，负载电流变大，Iload大于Ith，比较器输出CMP_OUT_SET 高电平，RS 触发器进入State2 过流状态，此状态下RS_OUT 输出低电平，OVER_FLAG端输出状态由电容C_delay、电阻R8和74LVC1G27决定，当RS_OUT 输出低电平后，OVER_FLAG 输出高电平，此电平通过R8对电容C_delay 进行充电，当经过充电时间T_Delay 时间后，RE_CONNECT 达到高电平，通过74LVC1G27 使OVER_FLAG 变为低电平。

在T_Delay 期间，由于功率管关闭，负载电流Iload减小到0，使比较器的同相输入端电压低于反相输入端电压，比较器输出COMP_OUT_SET 低电平，RS 触发器恢复到状态State2，RS_OUT 输出高电平，使功率管开启，VIN 与VOUT 相连，负载系统重新上电以此达到了自动重新连接目的。从过流到重连接的时间为T_Delay。

2.3 输出单元

输出单元主要包括功率管、光电耦合器和负压电荷泵等器件，负压电荷泵采用LTC1983ES6-3[8]，其输出电压为-3V，此电压接入光电耦合器受控端的发射极，集电极连接功率管栅极，光电耦合器控制输入端的阳极为RS_OUT，阴极接地。当RS_OUT 输出低电平时，光电耦合器受控端处于断开状态，当RS_OUT 输出高电平时，光电耦合器受控端处于连接状态。结合表1 及状态处理描述可知，未过流时，RS_OUT 输出高电平，功率管栅极电压为LTC1983E S6-3 的输出电压-3V，功率管开启，VOUT 输出电压近似为VIN；过流时RS_OUT 输出低电平，功率管栅极电压为VIN_R，功率管关闭，VOUT 输出0V。

3 电路测试

测试时，设置VCC 电压为5V，VIN 电压为1V和3.3V，电容C_delay 容值为100nF，根据公式(4)，通过常用的电阻值Rth设定限流阈值Ith值，配置情况见表2。

表2 测试电路配置表

通过测试，电路的自动重连接时间、过流阈值点的测试结果如表3 所示。

表3 测试结果统计表

表3 中统计精度为不同VIN 值和Ith阈值等配置条件的测试结果统计分析，在低于200mA 的过流阈值下测试，实际过流阈值点与预设过流点的误差精度在±20%以内，在800mA 以上的过流阈值下测试，实际过流阈值点与预设过流点的误差精度在±8%以内。自动重连时间T_delay 的值根据C_delay的容值大小而改变，C_delay 为22nF 时，T_delay 时间为0.85ms；C_delay 为4.7μF 时，T_delay 时间为181ms。可见所测试数据皆满足设计与实用的要求。

4 结束语

设计的此款具有自动重连接的过流保护电路，过流阈值点和自动重连接时间可通过电路内部的相关电阻和电容进行调节。过流阈值设定在不同电流值判定条件下时，实际过流阈值点与预设过流点的误差精度皆可控制在合理可接受的范围内，符合工程设计与应用需要，具有一定的实用价值。