如何使用运算放大器设计和构建一个简单的过流保护电路

保护电路对于任何电子设计的成功都至关重要。在我们之前的保护电路教程中，我们设计了许多可以适应您的电路的基本保护电路，即过压保护、短路保护、反极性保护等。除了这个电路列表之外，在本文中，我们将学习如何使用运算放大器设计和构建一个简单的过流保护电路。

过流保护通常用于电源电路中，以限制 PSU 的输出电流。术语“过电流”是指负载消耗的电流超过电源装置的规定能力时的情况。这可能是一种危险的情况，因为过流情况可能会损坏电源。所以工程师通常会在这种故障情况下使用过流保护电路来切断负载与电源的连接，从而保护负载和电源。

使用运算放大器的过流保护

过流保护电路种类繁多；电路的复杂性取决于保护电路在过流情况下的反应速度。在这个项目中，我们将使用非常常用的运算放大器构建一个简单的过流保护电路，并且可以很容易地适应您的设计。

我们即将设计的电路将具有可调节的过流阈值，并且还将具有故障时自动重启功能。由于这是一个基于运算放大器的过流保护电路，它将有一个运算放大器作为驱动单元。在本项目中，使用了通用运算放大器LM358。在下图中，显示了 LM358 的引脚图。

如上图所示，在单个 IC 封装内，我们将有两个运算放大器通道。但是，此项目仅使用一个通道。运算放大器将使用 MOSFET 切换（断开）输出负载。在本项目中，使用了N 沟道 MOSFET IRF540N。如果负载电流大于 500mA，建议使用合适的 MOSFET 散热器。然而，对于这个项目，MOSFET 没有使用散热器。下图是IRF540N 引脚图的表示。

为了给运算放大器和电路供电，使用了LM7809 线性稳压器。这是一款具有宽输入电压额定值的 9V 1A 线性稳压器。引脚排列如下图所示

所需材料：

下面列出了过电流保护 电路所需的组件列表。

面包板

电源 12V（最低）或根据电压要求。

LM358

100uF 25V

IRF540N

散热器（根据应用要求）

50k 装饰锅。

1k 电阻器，容差为 1%

1Meg 电阻

100k 电阻，容差为 1%。

1ohms电阻，2W（2W最大1.25A负载电流）

面包板电线

过流保护电路

一个简单的过流保护电路可以通过使用运算放大器来感应过流来设计，并根据结果我们可以驱动 Mosfet 断开/连接负载与电源。相同的电路图很简单，如下图所示

过流保护电路工作

从电路图中可以看出，MOSFET IRF540N 用于在正常和过载情况下控制负载为 ON 或 OFF 。但在关闭负载之前，必须检测负载电流。这是通过使用分流电阻器 R1来完成的，它是一个 2 瓦额定值的 1 欧姆分流电阻器。这种测量电流的方法称为分流电阻电流感应，您还可以检查其他也可用于检测过电流的电流感应方法。

在 MOSFET 导通状态期间，负载电流通过 MOSFET 的漏极流向源极，最后通过分流电阻流向 GND。根据负载电流，分流电阻产生的电压降可以使用欧姆定律计算。因此，我们假设，对于 1A 的电流（负载电流），分流电阻器上的电压降为 1V，因为 V = I x R （V = 1A x 1 Ohm）。因此，如果将此压降与使用运算放大器的预定义电压进行比较，我们可以检测到过流并改变 MOSFET 的状态以切断负载。

运算放大器通常用于执行加法、减法、乘法等数学运算。因此，在该电路中，运算放大器LM358被配置为比较器。根据原理图，比较器比较两个值。第一个是分流电阻上的压降，另一个是使用可变电阻器或电位计 RV1 的预定义电压（参考电压）。RV1 充当分压器。分流电阻上的压降由比较器的反相端检测，并与连接在运算放大器同相端的电压基准进行比较。

因此，如果检测到的电压低于参考电压，比较器将在输出端产生一个接近比较器 VCC 的正电压。但是，如果检测到的电压大于参考电压，比较器将在输出端产生负电源电压（负电源连接到 GND，因此在这种情况下为 0V）。该电压足以打开或关闭 MOSFET。

处理瞬态响应/稳定性问题

但是，当高负载与电源断开时，瞬态变化将在比较器上产生一个线性区域，这将产生一个环路，其中比较器无法正确打开或关闭负载，运算放大器将变得不稳定。例如，假设使用电位计设置 1A，以触发 MOSFET 进入关断状态。因此，可变电阻器设置为 1V 输出。在某种情况下，当比较器检测到分流电阻两端的电压降为 1.01V（此电压取决于运算放大器或比较器精度和其他因素）时，比较器将断开负载。瞬态变化当高负载突然从电源单元断开时会发生这种情况，这种瞬态会增加参考电压，这会导致比较器的结果不佳，并迫使它在线性区域内工作。

克服这个问题的最佳方法是在比较器两端使用稳定的电源，其中瞬态变化不会影响比较器的输入电压和电压基准。不仅如此，还需要在比较器中添加额外的方法滞后。在这个电路中，这是由线性稳压器 LM7809 和使用一个 100k 的迟滞电阻器R4 完成的。LM7809 为比较器提供适当的电压，以便电源线的瞬态变化不会影响比较器。C1，100uF电容用于对输出电压进行滤波。

迟滞电阻器 R4 将一小部分输入馈送到运算放大器的输出端，从而在比较器改变其输出状态的低阈值 （0.99V） 和高阈值 （1.01V） 之间产生电压间隙。如果达到阈值点，比较器不会立即改变状态，而是将状态从高变为低，感测电压电平需要低于低阈值（例如 0.97V 而不是 0.99V）或者要将状态从低变为高，感测电压需要高于高阈值（1.03 而不是 1.01）。这将增加比较器的稳定性并减少误跳闸。除此电阻器外，R2 和 R3 用于控制栅极。R3 是 MOSFET 的栅极下拉电阻。

过流保护电路测试

该电路在面包板上构建，并使用台式电源和可变直流负载进行测试。

对电路进行测试，观察到输出在可变电阻器设置的不同值下成功断开。本页底部提供的视频展示了过流保护测试的完整演示。

过流保护设计技巧

输出端的RC缓冲电路可以改善 EMI。

更大的散热器和特定的 MOSFET 可用于所需的应用。

构造良好的PCB将提高电路的稳定性。

分流电阻器的功率需要根据功率定律 （P = I 2 R） 进行调整，具体取决于负载电流。

毫欧额定值的极低值电阻器可用于小封装，但电压降会更小。为了补偿电压降，可以使用具有适当增益的附加放大器。

建议使用专用电流检测放大器来解决与电流检测相关的精确问题。