电子工程师的杂货铺 | 过流保护的几种实现方式

时间：2021-09-18 14:56:05

关键字：过流保护

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[导读]▼点击下方名片，关注公众号▼过电流保护（OverCurrentProtection）就是当电流超过预定最大值时，使保护装置动作的一种保护方式。当流过被保护原件中的电流超过预先整定的某个数值时，保护装置启动。过流保护电路设计的几种常用实现方式。1、过流保护元器件(保险丝)如上图所示...

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过电流保护（Over Current Protection）就是当电流超过预定最大值时，使保护装置动作的一种保护方式。当流过被保护原件中的电流超过预先整定的某个数值时，保护装置启动。

过流保护电路设计的几种常用实现方式。1、过流保护元器件(保险丝)如上图所示保险丝分类有很多种，根据应用可以具体情况具体选择。保险丝是一种很常用的过流保护器件，尤其是正温度系数（PTC）自恢复保险丝在电路设计中应用更加广泛。其外形如下图所示，工作原理如下：当过电流现象发生时，PTC自恢复保险丝迅速反应，其自身组织增加，从而形成过电流保护。当电流恢复正常，PTC自恢复保险丝会变回低阻值状态，不会对电路产生影响。由于PTC自恢复保险丝可以自动复位，许多电路设计人员在可能会因用户造成的故障而导致过电流事件的情况中选择PTC自恢复保险丝，PTC通常接于如下结构电路中进行过流保护。2、分立元器件搭建的保护电路
电路 1
原理上分析：首先左侧CRTL-LOAD是单片机输出开启负载的控制端。CRTL-LOAD输出高电平，Q2打开，负载LOAD-IN接入。负载正常的情况下电路不会有异样，但是当负载突然变大(短路或者接错负载情况下)时，保护电路开始起作用。下面分析一下过载保护部分的电路，即Q1、R3、R4、R5组成部分。Q1是常规的硅管，导通压降大致在0.7V，上图中在不接任何负载的情况下，Q1的基极电位可以计算出：
VQ1b=(R3 R4)/(R3 R4 R5)*5≈0.314V
因为当负载接入时，会在R3上产生压降，从而推动Q1基极电位增大，我们默认理想情况下0.7V时，三极管Q1会动作，由此理论上可以计算出接入多大负载电路会关断：
Ib=(0.7-VQ1b)/R3=0.386V/10=0.0386A=38.6mA
即理论上此电路最多可以接入38.6mA的负载，超过38.6mA之后，由于负载增大，导致Q1基极电位增大超过三极管理论开启电压0.7V导致Q1导通，从而拉低Q2基极，导致Q2关断，最终切断后面的大负载起到过流保护的作用。器件选取需要注意：R3要注意其精度以及封装，根据需要的功耗选择合适的封装，避免小封装对应大功耗导致器件过热。Q2根据负载要求留有一定余量。注：此电路在实际操作中存在一定的问题，可以评论区针对这个电路的问题进行留言交流分享。可以实际在仿真看一下就能看出来什么问题了。电路2
前段时间发了一篇硬件工程师必备的过压保护电路，有网友留言这个电路可以改造变成一个过流保护电流，原理如下：在电源输入端串一个采样电阻到PMOS的源极S，那么这个采样电阻就会有电压差，三极管的be并到这个电阻，当压差大于Vbe时，Vgs就0了，PMOS关闭，实现过流保护。修改前电路：

修改后电路：

3、集成芯片过流保护电路随着电路集成度不断的加深，越来越多功能模块被集成进芯片，过流保护芯片也被越来越多的应用到电路设计中。
过流保护芯片的原理主要分为两种：hiccup（Constant-Current）和 Latch offhiccup：一种是以恒定电流存在，这种一般是可恢复的，当故障解除后自动恢复；

Latch off：一种是锁定关闭，故障解除后也无法恢复，一旦保护后需要重启（比如重置VCC或其他的使能引脚）；

如下图为某限流芯片的内部功能框图，其主要工作原理如下：通过功能框图我们可以看出该芯片内部具有欠压保护功能及使能引脚EN，同时内部集成电流检测及热保护功能。

使能及欠压保护功能：

当EN引脚使能且输入电压高于UVLO门限电压时，芯片启动，内部功率mos管打开，呈现低阻抗状态。当EN引脚失能或者输入电压低于UVLO时，芯片关断，内部功率mos呈现高阻状态。

电流设置功能：

RST引脚可以用来通过下拉电阻到地设置限流门限，一般限流的精度在不同的范围内会略有不同。限流公式手册中一般也会给出或者用表格的形式列举出来。

过流保护功能：

当输出电流超过设定的门限电流后，内部功率mos管的导通电阻增大，输出电压VOUT增大，从而限制输出电流继续增大，芯片此时进入恒流状态，如果负载继续加重，那么输出电压VOUT会继续下降，输出电流也会下降，直到VOUT降至接近0V，输出电流也会将至最低。

过热保护功能：

在进入限流状态后，由于VOUT下降导致mos管两端压降增加，芯片内部结温上升，当超过过温保护门限时mos管被关闭，电流降至零，芯片温度下降至重复开启，如此循环。

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