電路斷路器提供過流和精確過壓保護(hù)

　一個簡單的電路斷路器提供精密過壓和過流保護(hù)。

　　僅需要少數(shù)廉價元器件，圖1中的電路斷路器響應(yīng)過流和過壓故障。電路的核心處，一個可調(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2.5V的閾值時，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）的門極通過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R6流到負(fù)載處。Q2和電流敏感電阻R6監(jiān)測ILOAD的幅值，其中Q2的基極和發(fā)射極電壓VBE是ILOAD×R6。對于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R3 和R4連結(jié)處的電壓也沒有影響。因?yàn)镈2參考輸入的輸入電流小于1µA，通過R5可忽略壓降，而參考電壓實(shí)際上是R4上的電壓。

　　當(dāng)ILOAD超過最大允許值時發(fā)生過載情況，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R7 和 R8的瀉放電流，因此偏置Q3導(dǎo)通。Q4的柵極電壓通過Q3有效地控制電源，MOSFET從而截止。與此同時，Q3的源電流通過D1流到R4，從而拉動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，因此沒有負(fù)載電流流過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。

　　對于過流情況，該斷路器還對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，電源幅值以及R3和R4的值，穿過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)生過壓情況，R4的電壓超過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2.5V時，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)淖柚祦碓O(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過度負(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)你第一次對電路供電，會發(fā)現(xiàn)電容、燈泡燈絲、汽車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。解決這個問題的一個辦法，就是增加電容C2，降低參考輸入處電壓的變化率。不過，雖然簡單，但這種方式有一個嚴(yán)重的缺點(diǎn)，因?yàn)樗鼫p緩了電路對于真正過流故障的響應(yīng)時間。

　　器件C1,、R1,、R2和Q1提供了另一種解決方法。當(dāng)電壓變大時，C1初始時放電，導(dǎo)致Q1導(dǎo)通，從而控制參考輸入為0V，防止來自跳閘電路的涌電流。然后C1通過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)過流瞬變。此時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。選擇其它值可以使電路容納適用于負(fù)載的任何時限的涌電流。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，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使用幾乎任何一個小信號的二極管。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，對于D2，并不是所有這些產(chǎn)品都表現(xiàn)的一模一樣。舉例來說，測試了德州儀器的TL431CLP和Zetex公司的ZR431CLP，顯示當(dāng)參考電壓為0V時兩個器件的陰極電流是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，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的阻值也對響應(yīng)時間有影響。TL431CLP的一個測試電路，其中R7 是1kΩ，R8是4.7kΩ，對于瞬態(tài)過流的響應(yīng)時間是550ns。用ZR431CLP更換TL431CLP，其響應(yīng)時間約為1µs。增加R7 和R8的阻值分別到10和47kΩ，則響應(yīng)時間為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)定過壓跳閘水平在18V，R3 和 R4必須具備阻值分別為62和10kΩ。測試電路實(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，過流檢測機(jī)制的精度低于過壓功能。然而，用一個高端電流檢測放大器產(chǎn)生與負(fù)載電流成正比的地電流來取代R6和 Q2，過流檢測精度將大大提高。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，例如汽車系統(tǒng)，需要過流檢測，以防止錯誤載荷；還需要過壓保護(hù)，屏蔽敏感電路受到高能負(fù)載瞬變時的影響。除了流過R3 和R4的小電流，以及D2的陰極電流，在正常、非跳閘情況下，對于電源，電路沒有電流流出。