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电路断路器提供过流和精确过压保护

来源:EDN/作者:Anthony H Smith?? Scitech?? Bedfordshire?? England?? 2007年08月15日 ?? 收藏0

  一个简单的电路断路器提供精密过压和过流保护。

  仅需要少数廉价元器件,图1中的电路断路器响应过流和过压故障。电路的核心处,一个可调高精度的并联稳压器D2,提供参考电压、比较器和开集电极输出,所有功能都整合到三管脚的封装中。

电路断路器响应过流和过压故障

  图2显示ZR431, D1的简化电路图。在参考输入处的电压与内部电压基准VREF相比较,名义上是2.5V。在断电状态下,参考电压为0V,输出晶体管处于截止状态,阴极电流小于0.1?A。随着参考电压接近VREF,阴极电流缓慢增加;参考电压超过2.5V的阈值时,装置完全导通,阴极电压降至大约为2V。在这种情况下,阴极和电源之间的阻抗决定阴极电流;阴极电流在50?A至100mA范围内。

ZR431, D1的简化电路图

  在正常工作情况下,D2的输出晶体管截止,而且P沟道MOSFET(Q4)的门极通过R9,以至于MOSFET是全面增强的,允许负载电流ILOAD从电源–VS通过R6流到负载处。Q2和电流敏感电阻R6监测ILOAD的幅值,其中Q2的基极和发射极电压VBE是ILOAD×R6。对于ILOAD的正常值,VBE低于Q2偏置所需的0.6V电压值,

这种情况下晶体管对R3 和R4连结处的电压也没有影响。因为D2参考输入的输入电流小于1?A,通过R5可忽略压降,而参考电压实际上是R4上的电压。

  当ILOAD超过最大允许值时发生过载情况,R6上的电压增大导致基极-发射极电压足够大到导通Q2。因此,R4上的电压和参考电压上拉到VS,造成D2的阴极电压降至大约2V。D2的输出晶体管通过R7 和 R8的泻放电流,因此偏置Q3导通。Q4的栅极电压通过Q3有效地控制电源,MOSFET从而截止。与此同时,Q3的源电流通过D1流到R4,从而拉动R4的电压,使二极管电压降到低于电源。由于Q2的基极-发射极的电压为0V而截止,因此没有负载电流流过R6。D2的输出晶体管锁存,电路仍处于故障状态,其中的负载电流为0A。选择R6的阻值时要确保在负载电流的最高允许值的条件下,Q2的基极-发射极电压大约低于0.5V。

  对于过流情况,该断路器还对电源的非正常大电压起作用。当负载电流在正常范围内Q2处于截止状态时,电源幅值以及R3和R4的值,穿过电源轨形成潜在分压器,决定参考输入处的电压。电源电压发生过压情况,R4的电压超过2.5V参考电压,D2的输出晶体管导通。一旦再次发生,Q3导通,MOSFET(Q4)关闭,负载与危险瞬间情况有效隔绝。

  现在电路仍然处在不定状态一直到复位。在这些条件下,Q3 控制 Q4的栅极电源电压大约接近0V,从而保护MOSFET自身摆脱过多的栅源电压。忽视R5微乎其微的电压值,你可以看到参考电压为VS×R4/(R3+R4)。因为,当参考电压超过2.5V时,D2的输出变高,你可以变换方程为R3=[(VST/2.5)–1]×R4,其中VST是所需的电源跳闸值。例如,如果R4值为10k?,18V的跳闸电压需要R3阻值为62k?。R3 和 R4选择适当的阻值来设置需要的跳闸电压值,确保它们足够大以至于潜在分压器不会过度负荷供应。同样,由于输入参考电流避免导致误差的值。

  当你第一次对电路供电,会发现电容、灯泡灯丝、汽车等类似具有大浪涌电流的载荷可以使断路器跳闸,即使正常的、稳态运行的电流低于R6所设置的水平。解决这个问题的一个办法,就是增加电容C2,降低参考输入处电压的变化率。不过,虽然简单,但这种方式有一个严重的缺点,因为它减缓了电路对于真正过流故障的响应时间。

  器件C1,、R1,、R2和Q1提供了另一种解决方法。当电压变大时,C1初始时放电,导致Q1导通,从而控制参考输入为0V,防止来自跳闸电路的涌电流。然后C1通过R1 和R2 充电,直到Q1最后截止,释放参考输入的控制,并允许电路快速反应过流瞬变。此时C1、R1和 R2的值,电路允许涌电流在大约400毫秒内平息下来。选择其它值可以使电路容纳适用于负载的任何时限的涌电流。一旦你的电路断路器跳闸,再次供电或者按下复位开关S1则可以复位。如果你的应用不需要涌电流保护,干脆省略C1、R1和 R2,并在参考输入和0V之间接入S1。

  在选择元器件时,确保所有的元器件妥善适应它们将遇到的电压和电流水平。双极晶体管没有特别的要求,虽然这些晶体管,尤其Q2和Q3,应具有高电流增益,Q4应该有较低的阻值,并且Q4的最大漏源极电压和栅源极电压必须与最高电源电压相同。你可以为D1使用几乎任何一个小信号的二极管。作为一项预防措施,如果有非常大的瞬态电压,适当的齐纳二极管D3 和D4保护D2可能是有必要的。

  虽然该电路利用431器件,是市面从不同厂家都有的广泛产品,对于D2,并不是所有这些产品都表现的一模一样。举例来说,测试了德州仪器的TL431CLP和Zetex公司的ZR431CLP,显示当参考电压为0V时两个器件的阴极电流是0A。但是,逐步把参考电压从2.2V提高到2.45V,对于TL431CLP而言,阴极电流由220提高到380?A,而ZR431CLP是从 23到28?A—两者大概有10种区别。在选择R7 和R8的阻值时,你必须考虑这两种不同大小的阴极电流的区别。


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