运放如何打造过流保护电路

　　对一个成功设计的来说保护电路是至关重要的。我们之前探讨了过压保护电路，这里我们来看看如何用运放打造一个过流保护电路。
　　过流保护常用于电源电路中，用于限制电源的输出电流。“过流”这个词是指负载上的电流超过了电源的供给限度。这是很危险的情况，而且很可能对电源造成损害。所以工程师们常用过流保护电路来将负载与电源的连接断开，从而保护两者。
　　使用运放打造过流保护
　　过流保护电路有许多种；其复杂程度取决于过流时保护电路的反应速度有过快。这里我们来介绍使用运放打造的过流保护电路，该设计可以轻易加入你的设计中去。
　　该设计加入了可调的过流阈值，同时还有失效时自动重启功能。因为这是一个基于运放的过流保护电路，所以我们加入了运放作为驱动，这里用的是常见的 LM358。下图为 LM358 的引脚图。
　　
　　上图可以看出，在这个 IC 内有两个运放通道。然而我们只需要用到其中的一个。运放需要通过 MOSFET 来闭合（断开）输出负载。这里我们采用 N 通道的 MOSFET IRF540N。如果负载电流大于 500mA 的话，建议使用合适的 MOSFET 散热器。以下是 IRF540N 的引脚图。
　　
　　为了给运放和电路供电，还用到了 LM7809 线性稳压器。这是一个 9V 1A 的线性稳压器，且输入电压范围广。其引脚图如下。
　　
　　所需元器件
　　至少 12V 的电源
　　LM358
　　IRF540N
　　100uf/25V 的电容
　　散热器
　　50kΩ电位计
　　精度 1%的 1kΩ和 100kΩ电阻
　　1MΩ电阻
　　1Ω分流电阻，额定功率为 2W
　　过流保护电路
　　过流保护电路的设计思路是这样的，运放来感知电路是否有过流发生，基于结果我们驱动 MOSFET 来将负载与电源相连 / 断开。电路图如下。
　　
　　过流保护电路的工作原理
　　可以从上述电路图看出，MOSFET IRF540N 在正常与过流情况下控制负载的连接与关断。但在关闭负载之前，检测到负载电流很重要。而用于检测电流的方法就是通过分流电阻 R1，这是一个 1Ω 2W 的分流电阻。其测量电流方法被称为分流电阻检流。
　　当 MOSFET 导通时，负载电流从 MOSFET 的漏极流向源极，最后通过分流电阻导向 GND。基于负载电流，分流电阻会产生一个压降，这样我们可以用欧姆定律来进行计算。假设 1A 的负载电流，则分流电阻上的压降为 1V，因为 V=I x R。所以将该电压与使用运放时的预设电压相比，我们就可以检测到过流并改变 MOSFET 的状态，从而切断负载。
　　运放常被用于数学运算，比如加法，减法和乘法等。然而，这个电路中，LM358 的配置为比较器。由图可知，该比较器会比较两个值的大小。第一个值是分流电阻间的压降大小，第二个值是用可调电阻或电位计 RV1 生成的预设电压（参考电压）。RV1 的作用是分压器。分流电阻间的压降则导入比较器的反向引脚，而参考电压则连接到比较器的同向引脚。
　　正因如此，如果感应电压小于参考电压的话，比较器会在输出生成正电压（接近比较器的 VCC），反之则为负电压（接地，所以此处为 0V）。因此电压足够控制 MOSFET 的开关。
　　处理暂态响应 / 稳定性的问题
　　但当大负载与电源断开连接时，瞬间的改变会在比较器上产生一个线性区间，这会造成一个循环导致比较器无法正常开关负载，且运放会变得不稳定。比如，假设用电位计将 1A 设置为 MOSFET 关断的阈值。这时，比较器检测到分流电阻间的压降为 1.01V，那么比较器会断开负载。暂态响应提高了参考电压，迫使比较器在一个线性区间工作。
　　解决该问题的最好办法就是在比较器上使用稳定的电源，这样瞬态改变不会影响比较器的输入电压和参考电压。不仅如此，比较器上需要加入额外的滞后。在该电路中，我们使用的是线性稳压器 LM7809 和滞后电阻 R4，100kΩ的电阻。LM7809 位比较器提供了合理的电压，这样电源线上的暂态改变不会影响比较器。C1，100uF 电容则用于输出电压的滤波。
　　滞后电阻 R4 将小部分输入导入到运放输出上，从而在低阈值（0.99V）和高阈值（1.01V）间创造了一个电压差。这样达到阈值后比较器不会立即改变状态，不仅如此，要使状态从高到低，那么检测电压应低于低阈值（比如 0.97V 而不是 0.99V），而要从低到高，检测电压应高于高阈值（比如 1.03 而不是 1.01）。这会提升比较器的稳定性，并减少错误出发的情况。R2 和 R3 则用于控制 MOSFET 栅极，R3 是 MOSFET 栅极下拉电阻。
　　设计建议
　　输出端的 RC 缓冲电路可以有效提高 EMI 性能。
　　特殊情况下可以使用更大的散热器及特定的 MOSFET。
　　完善的 PCB 板可以提升电路的稳定性。
　　分流电阻额定功率需要根据功率定律和负载电流进行调整。
　　为了小封装可以采用 mΩ级的低阻值电阻，但其压降会变少。为了补偿压降可以增加一个合适增益的放大器。
　　如果要提高检流精度的话，建议使用独立的检流放大器。