一种新型过流保护设计

2023-10-09刘少龙王云鹏徐叶斌

通信电源技术 2023年16期

刘力，刘少龙，王云鹏，徐叶斌，吴超

（中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，陕西西安 710068）

0 引言

随着科技的进步与发展，各种便民式智能电子设备在人们的日常生活中已随处可见。为满足该类设备的供电需要，供电技术也在不断发展进步。开关电源因具有体积小、效率高以及输出稳定的优点而被广泛应用于各领域。它利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，从而维持输出电压的稳定，效率达到70%～95%，被誉为高效节能电源[1-4]。开关电源的性能参数越来越受到人们的重视，实际应用中应将安全性和可靠性放在首位[5]。过流保护（Over Current Protect，OCP）是开关电源的一个重要性能参数。过流保护功能是当负载电流超过额定值时，通过触发过流保护机制从而切断电路的一种保护方式[6]。过流保护对于开关电源的防护及设备的安全性至关重要。该背景下，提出一种低成本、高精度、保护速度快的过流保护电路，并通过对该电路进行仿真验证，证明了该过流保护电路具有很高的工程应用价值。

1 过流的危害

随着现代智能电子设备的种类及应用场景的不断增加，因设备损坏而造成的损失及影响程度也在不断扩大。而在众多类型的故障中，由设备过流造成的影响最大。设备过流故障发生时，经常会出现火灾、烟尘以及爆炸等事故。设备电源发生故障或负载短路都会使电流过大。当电流大小超过某一电流值时，很有可能烧坏电路或负载，甚至引发火灾[7]。当电路发生过流故障并且故障未被及时切断时，故障负载会降低输入源的电压，从而对整个供电系统造成巨大伤害，因此一个良好的过流保护措施对稳定运行的开关电源非常重要。

2 过流保护措施

2.1 保险丝

保险丝也称熔断器，是最早使用的一种过流保护元件，在电路中一般串接在电源输出端。保险丝保护电路如图1所示。保险丝一般由熔点较低的材料制成，电流流过时会产生热量。当电路短路时会有大电流流过保险丝，导致保险丝产生热量的速度大于热量耗散的速度。温度升高到保险丝的熔点时，保险丝熔断切断电流，从而保护后级设备。但是，由于保险丝熔断时可能会产生飞弧、引燃、烧毁周围的元器件，目前在精密电子设备中已经不允许使用保险丝。

图1 保险丝保护电路

2.2 传统过流保护电路

随着电子元器件的发展，用分立器件搭建的过流保护电路得到了广泛应用。传统过流保护电路基本原理如图2所示[8]。流过采样电阻Rsense的电流等于流过电感L1的电流，Q2为反馈回路，Q1和Q3为功率开关管，C1和Rload分别为输出电容和负载电阻。传统过流保护电路的过流保护原理如下：当电路在额定电流以内正常工作时，Rsense上的压降较小，不足以导通Q2，电路正常工作；当出现轻载或短路时，Rsense上的电流和其两端的压降急剧增大；当Rsense两端的压降达到反馈回路Q2的导通电压时，Q2导通，同时功率开关管Q1的基极电压降低，Q1关断，从而切断电路，保护后期设备；当电路恢复正常时，流过Rsense的电流减小，Q2关断，功率开关管Q1重新打通，电路开始工作。负载过流或短路时，Rsense的两端电压差计算公式为

图2 传统过流保护电路基本原理

式中：UBE表示开关管Q2的导通电压。

由式（1）可知，该过流保护电路受Rsense精度和Q2导通电压的影响较大，对元器件的精度要求较高且反应速度慢，因此该保护方式只适用于对过流门限要求不高的设计。

2.3 集成芯片过流保护电路

随着电路集成度不断加深，集成芯片的功能越来越多，具有过流保护功能的电路被大量集成在电路保护芯片。过流保护芯片的过流保护类型大致分为2类：一是可恢复式保护，当电流超过额定值时触发保护，故障消除后可以自动恢复；二是锁定关闭保护，当电路出现故障时触发保护，闭锁电路，需要重启后电路才可以恢复工作。集成芯片的保护功能往往比较丰富，除了集成过流保护，还会集成过欠压保护和浪涌保护等。使用集成芯片进行过流保护可能会造成资源浪费，同时在过流保护电路中使用集成芯片时，会出现大量的外围电路，使过流保护成本大大增加，因此该保护方式对于成本低及布局小的电路不适用。

3 新型过流保护电路设计

3.1 过流保护设计电路图

文章提出的新型过流保护电路如图3所示。当电路正常工作时，MOSFET开关管Q1正常打开，电流流过Rsense，并通过开关管Q1流向负载设备。当出现轻载或短路故障时，Q1会迅速关断，切断电路从而保护后级负载设备。本设计具有较快的反应速度和较高的精度，延迟时间小于50 μs，电流分辨精度小于100 μA，一旦发生过流故障，就会立即触发电路保护。

图3 新型过流保护电路

3.2 过流保护原理

该过流保护电路主要由高精度运算放大器、匹配电阻、MOSFET开关管以及一个MOSFET开关控制器组成。在选择匹配电阻时，需要注意匹配电阻的比例会直接影响采样电流的精度，匹配反馈电阻阻值过大会影响保护速度[9,10]。当电路正常工作时，电流流过Rsense并产生压降，Rsense两端的电压值U1和U2被输入运算放大器N1进行差模放大计放大后的电压差U12的计算公式为

当电阻完全匹配，即R1=R2且R3=R4时，U12的计算公式为

通过高精度运算放大器后，Rsense两端的电压差被放大，然后输入比较器N2并与参考电压Uref进行比较。当电路出现短路故障时，负载电流Iload急剧变大，Rsense两端的电压差U12＞Uref，比较器输出低电平，同时高边MOSFET驱动器G1输出低电平，从而拉低MOSFET的栅极电压，使开关管Q1迅速关断，切断电路从而保护后级负载设备。该部分的响应情况为Iload↑→U12↑→U4为低电平→U5↓→Uout无输出。

当电路恢复正常工作时，电路中的负载电流变小，Rsense两端的压降降低，此时U12＜Uref，比较器输出高电平，同时高边MOSFET驱动器G1输出高电平拉高MOSFET的栅极电压，开关管Q1重新打开，电路正常工作。该部分的响应情况为：Iload↓→U12↓→U4为高电平→U5↑→Uout正常输出。

由过流保护原理可知，该电路通过Rsense把电路中的负载电流信号转化为电压信号进行处理，并通过高精度运算放大器及比较器处理电压信号，从而极大地提高了电路中的电流识别精度。此外，通过高边MOSFET驱动器控制MOSFET的通断控制电路的通断。高边MOSFET驱动器的响应时间极短，达到微秒级，大大提高了该电路对过流故障的响应速度。

3.3 电路仿真

为验证新型过流保护电路的过流保护效果，使用仿真软件LTspice对其进行仿真，按照图示的电路原理搭建电路，选择Rsense=50 mΩ，R3=100 kΩ，R1=1 kΩ，Uref=5 V，Uin=12 V。根据式（3）及电路的过流保护机制，可以推算出该电路的过流点电流值为1 A，通过调节负载电阻Rload的大小模拟电路的过流情况。过流保护电路仿真结果如图4所示。从图4可以看出，当Rload=12.05 Ω时，Iload=0.996 A＜1 A，负载电阻Rload持续有电流流过，电路正常工作，当Rload=11.95 Ω时，Iload=1.004 1 A＞1 A，电路触发过流保护，高边MOSFET驱动器快速关断功率开关管Q1，使电路中的负载电流Iload在30 μs内降为0 A，从而保护后级设备，表明该电路具有良好的过流保护功能。