電路斷路器提供過(guò)流和精確過(guò)壓保護(hù)

　一個(gè)簡(jiǎn)單的電路斷路器提供精密過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)。

　　僅需要少數(shù)廉價(jià)元器件，圖1中的電路斷路器響應(yīng)過(guò)流和過(guò)壓故障。電路的核心處，一個(gè)可調(diào)高精度的并聯(lián)穩(wěn)壓器D2，提供參考電壓、比較器和開(kāi)集電極輸出，所有功能都整合到三管腳的封裝中。

　　圖2顯示ZR431, D1的簡(jiǎn)化電路圖。在參考輸入處的電壓與內(nèi)部電壓基準(zhǔn)VREF相比較，名義上是2.5V。在斷電狀態(tài)下，參考電壓為0V，輸出晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，陰極電流小于0.1µA。隨著參考電壓接近VREF，陰極電流緩慢增加；參考電壓超過(guò)2.5V的閾值時(shí)，裝置完全導(dǎo)通，陰極電壓降至大約為2V。在這種情況下，陰極和電源之間的阻抗決定陰極電流；陰極電流在50µA至100mA范圍內(nèi)。

　　在正常工作情況下，D2的輸出晶體管截止，而且P溝道MOSFET（Q4）的門(mén)極通過(guò)R9，以至于MOSFET是全面增強(qiáng)的，允許負(fù)載電流ILOAD從電源–VS通過(guò)R6流到負(fù)載處。Q2和電流敏感電阻R6監(jiān)測(cè)ILOAD的幅值，其中Q2的基極和發(fā)射極電壓VBE是ILOAD×R6。對(duì)于ILOAD的正常值，VBE低于Q2偏置所需的0.6V電壓值，這種情況下晶體管對(duì)R3 和R4連結(jié)處的電壓也沒(méi)有影響。因?yàn)镈2參考輸入的輸入電流小于1µA，通過(guò)R5可忽略壓降，而參考電壓實(shí)際上是R4上的電壓。

　　當(dāng)ILOAD超過(guò)最大允許值時(shí)發(fā)生過(guò)載情況，R6上的電壓增大導(dǎo)致基極-發(fā)射極電壓足夠大到導(dǎo)通Q2。因此，R4上的電壓和參考電壓上拉到VS，造成D2的陰極電壓降至大約2V。D2的輸出晶體管通過(guò)R7 和 R8的瀉放電流，因此偏置Q3導(dǎo)通。Q4的柵極電壓通過(guò)Q3有效地控制電源，MOSFET從而截止。與此同時(shí)，Q3的源電流通過(guò)D1流到R4，從而拉動(dòng)R4的電壓，使二極管電壓降到低于電源。由于Q2的基極-發(fā)射極的電壓為0V而截止，因此沒(méi)有負(fù)載電流流過(guò)R6。D2的輸出晶體管鎖存，電路仍處于故障狀態(tài)，其中的負(fù)載電流為0A。選擇R6的阻值時(shí)要確保在負(fù)載電流的最高允許值的條件下，Q2的基極-發(fā)射極電壓大約低于0.5V。

　　對(duì)于過(guò)流情況，該斷路器還對(duì)電源的非正常大電壓起作用。當(dāng)負(fù)載電流在正常范圍內(nèi)Q2處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，電源幅值以及R3和R4的值，穿過(guò)電源軌形成潛在分壓器，決定參考輸入處的電壓。電源電壓發(fā)生過(guò)壓情況，R4的電壓超過(guò)2.5V參考電壓，D2的輸出晶體管導(dǎo)通。一旦再次發(fā)生，Q3導(dǎo)通，MOSFET（Q4）關(guān)閉，負(fù)載與危險(xiǎn)瞬間情況有效隔絕。

　　現(xiàn)在電路仍然處在不定狀態(tài)一直到復(fù)位。在這些條件下，Q3 控制 Q4的柵極電源電壓大約接近0V，從而保護(hù)MOSFET自身擺脫過(guò)多的柵源電壓。忽視R5微乎其微的電壓值，你可以看到參考電壓為VS×R4/(R3+R4)。因?yàn)?，?dāng)參考電壓超過(guò)2.5V時(shí)，D2的輸出變高，你可以變換方程為R3=[(VST/2.5)–1]×R4，其中VST是所需的電源跳閘值。例如，如果R4值為10kΩ，18V的跳閘電壓需要R3阻值為62kΩ。R3 和 R4選擇適當(dāng)?shù)淖柚祦?lái)設(shè)置需要的跳閘電壓值，確保它們足夠大以至于潛在分壓器不會(huì)過(guò)度負(fù)荷供應(yīng)。同樣，由于輸入?yún)⒖茧娏鞅苊鈱?dǎo)致誤差的值。

　　當(dāng)你第一次對(duì)電路供電，會(huì)發(fā)現(xiàn)電容、燈泡燈絲、汽車(chē)等類似具有大浪涌電流的載荷可以使斷路器跳閘，即使正常的、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的電流低于R6所設(shè)置的水平。解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)辦法，就是增加電容C2，降低參考輸入處電壓的變化率。不過(guò)，雖然簡(jiǎn)單，但這種方式有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，因?yàn)樗鼫p緩了電路對(duì)于真正過(guò)流故障的響應(yīng)時(shí)間。

　　器件C1,、R1,、R2和Q1提供了另一種解決方法。當(dāng)電壓變大時(shí)，C1初始時(shí)放電，導(dǎo)致Q1導(dǎo)通，從而控制參考輸入為0V，防止來(lái)自跳閘電路的涌電流。然后C1通過(guò)R1 和R2 充電，直到Q1最后截止，釋放參考輸入的控制，并允許電路快速反應(yīng)過(guò)流瞬變。此時(shí)C1、R1和 R2的值，電路允許涌電流在大約400毫秒內(nèi)平息下來(lái)。選擇其它值可以使電路容納適用于負(fù)載的任何時(shí)限的涌電流。一旦你的電路斷路器跳閘，再次供電或者按下復(fù)位開(kāi)關(guān)S1則可以復(fù)位。如果你的應(yīng)用不需要涌電流保護(hù)，干脆省略C1、R1和 R2，并在參考輸入和0V之間接入S1。

　　在選擇元器件時(shí)，確保所有的元器件妥善適應(yīng)它們將遇到的電壓和電流水平。雙極晶體管沒(méi)有特別的要求，雖然這些晶體管，尤其Q2和Q3，應(yīng)具有高電流增益，Q4應(yīng)該有較低的阻值，并且Q4的最大漏源極電壓和柵源極電壓必須與最高電源電壓相同。你可以為D1使用幾乎任何一個(gè)小信號(hào)的二極管。作為一項(xiàng)預(yù)防措施，如果有非常大的瞬態(tài)電壓，適當(dāng)?shù)凝R納二極管D3 和D4保護(hù)D2可能是有必要的。

　　雖然該電路利用431器件，是市面從不同廠家都有的廣泛產(chǎn)品，對(duì)于D2，并不是所有這些產(chǎn)品都表現(xiàn)的一模一樣。舉例來(lái)說(shuō)，測(cè)試了德州儀器的TL431CLP和Zetex公司的ZR431CLP，顯示當(dāng)參考電壓為0V時(shí)兩個(gè)器件的陰極電流是0A。但是，逐步把參考電壓從2.2V提高到2.45V，對(duì)于TL431CLP而言，陰極電流由220提高到380µA，而ZR431CLP是從 23到28µA—兩者大概有10種區(qū)別。在選擇R7 和R8的阻值時(shí)，你必須考慮這兩種不同大小的陰極電流的區(qū)別。

　　你所使用的D2類型和你選擇的R7 和R8的阻值也對(duì)響應(yīng)時(shí)間有影響。TL431CLP的一個(gè)測(cè)試電路，其中R7 是1kΩ，R8是4.7kΩ，對(duì)于瞬態(tài)過(guò)流的響應(yīng)時(shí)間是550ns。用ZR431CLP更換TL431CLP，其響應(yīng)時(shí)間約為1µs。增加R7 和R8的阻值分別到10和47kΩ，則響應(yīng)時(shí)間為2.8µs。注意到TL431CLP產(chǎn)生較大的陰極電流需要相應(yīng)阻值較小的R7和R8。

　　為了設(shè)定過(guò)壓跳閘水平在18V，R3 和 R4必須具備阻值分別為62和10kΩ。測(cè)試電路實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)果：D2采用TL431CLP，電路在17.94V跳閘，D2采用ZR431CLP，跳閘電壓為18.01V。依靠Q2的基極-發(fā)射極電壓，過(guò)流檢測(cè)機(jī)制的精度低于過(guò)壓功能。然而，用一個(gè)高端電流檢測(cè)放大器產(chǎn)生與負(fù)載電流成正比的地電流來(lái)取代R6和 Q2，過(guò)流檢測(cè)精度將大大提高。這些器件可從Linear技術(shù)公司、Maxim、德州儀器公司和Zetex等公司得到。

　　電路斷路器被證明是很有用的應(yīng)用，例如汽車(chē)系統(tǒng)，需要過(guò)流檢測(cè)，以防止錯(cuò)誤載荷；還需要過(guò)壓保護(hù)，屏蔽敏感電路受到高能負(fù)載瞬變時(shí)的影響。除了流過(guò)R3 和R4的小電流，以及D2的陰極電流，在正常、非跳閘情況下，對(duì)于電源，電路沒(méi)有電流流出。