纯硬件过流保护电路

1.简介
在电源及电机控制中常用到过流保护功能，这需要对电流进行采样。同时，如果用单片机实现检测电流进行保护的话需要消耗大量CPU时间，因此我用硬件电路设计了一种带自锁功能的过流保护模块，这对于过流保护可以实现模块化，方便使用。该模块采用ACS712霍尔传感器采集电流，可将正负过流保护值可以分开来设定，将输出转为0-3.3V的电压，方便DSP采样，最后绘制了PCB，制作了出来。
2．电流采样电路的设计
2.1采样电路的比较
电流采样电路通常有“高（压）端电流采样”和“低（压）端电流采样”和“霍尔传感器采样”三种采样电路，如下图所示，给出高端和低端两种采样电流形式。
图2-1 低端电流采样

图2-2 高端电流采样

（1）高端电流检测具有如下特点：
优点：可以检测区分负载是否短路、无地电平干扰
缺点：共模电压高，使用非专用分立器件设计较复杂、成本高、面积大
（2）低端电流检测具有如下特点：
优点：共模电压低，可以使用低成本的普通运算放大器
缺点：检测电流电阻的引入地电平干扰，电流越大地电位干扰越明显，有时至会影响负载
（3）霍尔传感器采样具有如下特点：
优点：对采样信号进行隔离，适合大功率场合
缺点：易受到电磁干扰的作用
本设计考虑到通用型，同时整个系统电流采样保护都与控制部分隔离的情况，采用霍尔电流传感器ACS712进行电流采样。
3．转换为0-3v输出信号调理电路的设计
ACS712采用单电源5V供电，输出具有很好的线性度，如下图所示。
图3-1 ACS712输出电压与检测的电流关系

可以看出，当检测电流为0A时，输出2.5V，当电流为+5A时输出电压3.5V，当电流为-5V时输出为1.5V，具有很高的线性度。但是通常DSP的AD采样量程时0-3.3V的，这就需要运行进行调理，转换为0-3.3V之间的电压。注意，由于运放是单电源5V供电，因此需要用轨对轨运放，如LMV358。
由于ACS712输出带载能力有限，通常采用一级电压跟随提高带载能力。之后在后级先用电阻分压，再送入同相比较端，同相放大一倍。分压电阻R2、R3需要先将0-5V的电压分为0-1.5V的电压，因此电阻比为3：7。在后级同相比例放大两倍即为0-3V之间的电压值。电路如下图所示：
图3-2 输出调理电路

图3-3 调理电路仿真

4.比较及锁存保护电路的设计
本设计的重点在于当出现过流后能自动切断输出，并保持切断的状态。这就需要对电流信号进行比较和对输出信号进行锁存。本设计考虑到正负过流保护值可能不同，同时触发器通常有两路输入输出，因此设计了两路保护电路，通过按键进行复位。
4.1过流保护电流值的设定
图4-1为设定比较值输出端，分别对应正过流保护和负过流保护，其中的可调电阻器最大阻值为10K。由于ACS712的输出在电流为向时为2.5V-5V，在电流为负时为0-2.5V，因此设定比较值也应该在这两个范围内。以2.5V-5V输出为例：当可调电阻器阻值为0欧时，输出5V；当可调电阻器阻值为最大10K时，输出为2.5V。
图4-1 设定比较值输出
4.2锁存及复位电路的设计
图4-2为比较和锁存部分电路，用到D触发器74HC74和电压比较器。74HC74是一种双D型触发器，有设置和重置引脚，正脉冲触发。此处直接用运放当作比较器用，需要注意的是运放通常是推挽输出，比较器是集电极开路输出，若换做比较器的话，需要加上拉电阻，可以实现“线与”。
图4-2 比较和锁存电路图

74HC74的控制逻辑如下表所示，本次设计用到的小表中黄色强调部分的逻辑。当电流小于设定的过流保护值时，比较器输出为低电平。一旦出现过流，比较器输出高，产生上升沿到74HC74的CP端，数据位的高电平被锁存到输出端Q，反相输出端 输出为低电平。
表4-1 74HC74逻辑图


当复位按键被按下时， 为低电平有效，表现为表中绿色部分逻辑，输出端Q为低电平，与保护时逻辑反相。
以上控制部分逻辑通过Multisim进行了仿真，其中所有的模拟量给的是通过电阻分压给的，仿真电路如下：其中R1为模拟ACS712的输出，R4为负过流保护设定值，R5为正过流保护设定值。
图4-3 控制部分逻辑仿真电路图

4.3外部控制信号输入
为了方便DSP/MCU控制继电器，如下电路实现了控制信号和两路过流信号的“或”逻辑运算，通过Multisim仿真可以看出，只要任意开关闭合（被置为高电平），输出变为低电平。
图4-4 外部控制端逻辑图及Multisim仿真

5．继电器驱动及指示部分设计
图5-1为P沟道MOSFET驱动继电器电路图，由于74HC74输出驱动能力有限，输入输出电流只有20mA，而继电器通常要求驱动能力为100mA以上，因此可以通过如下驱动P沟道Mosfet的方法提高带载能力：当SAFE+、SAFE、-SD端都为低电平时，DRIVE端为高电平，Q1的GS端电位为0，MOSFET关断；当DRIVE端为低电平时，MOSFET导通，驱动继电器动作。
由于继电器铁芯有电感作用，因此在需要反并联二极管续流。当关断时，二极管导通，提供续流通道。
图5-1 继电器及驱动电路图

<div class="pgc-img">图5-2 状态指示部分电路图。

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