反时限电源过流保护电路设计

我曾经设计过一个系统，这个系统中安装许多个分布的设备，所有设备都由一个总电源供电。

这个电源除了供电之后，还需要管理系统设计的工作状态。

因此，该电源内部集成了PIC16F1936处理器。通过该处理器进行状态管理以及故障保护。

对于电源，短路、过流、过压、过温等保护是至关重要的功能。

否则，电源非常容易被损坏。

在我设计的这个系统之前，公司的其它类似产品使用简单的阈值判断进行过流保护。

当检测到超过额定电流的1.2倍左右时，切断输出。

为什么不能用阈值判断法进行过流保护

这个做法最致命的缺点是，

1） 所有的电源都有一定的过流能力，只要散发的热量不超过其能承受的范围，短时间的过流没有任何问题。

2） 所有的设备的电源输入都连接了一些大电容，用于储能和去耦，上电瞬间，电源以比较大的电流向这些电容充电，由于系统中连接的设备数比较大，所有设备同时上电，充电电流可以超过额定电流的许多倍。

3） 设备上电时的电流并非一种非此即彼的二值曲线，而是一种动态变化的曲线，如下图：

上电电流波形

如果按上电电流的峰值进行保护，则不能发挥电源的最大性能，使用系统中能连接的设备数减少。

如果按上电电流的中间值进行保护，有可能保护不及时，损坏电源；

什么是反时限保护

按照焦耳定律，电源所耗散的热量与负载电流的平方成正比。

如果电源允许的温升为一个固定值，则允许耗散的热量为固定值。根据下述关系式：

功率 P∝I*I，

热量Q=Pt∝II*t。

从而t∝Q/(I*I)。

可见，当Q固定时，I*I的数值越大，则t时间越小。

电流与保护时间的反时限关系曲线如下：

过流的反时限保护曲线

基于上述的考虑，我在上设计了一套适合运行在ROM/RAM等都非常有限的PIC16F1936上的反时限过流保护的算法：

1)电路一如既往的简单，一个0.17R的负载电流采样电阻将电流转成电压之后，经过R/C组成的低通滤波器送入单片机AD口。

电路原理图

２)考虑到RAM的限制，采用一个int型的变量(16bits)记录热量值，保护热量值设置为50000。

３)根据电源的过流特性，设计检测电流所得到的AD值与热量值的关系表，

已知AD值与电流关系为：0.17I/3.34096。

每隔1ms采样AD并计算一次热量，

比如额定电流为1.2A的电源，当电流超过额定电流3倍，即3.6A时，立即保护。

ADC值大于760时，热量为50000。

过流2倍，ADC为506时，1.5 秒之后保护，热量为50000/1000/1.5=33。

过流1.5位， ADC为379时，2秒之后保护，热量为50000/1000/2=25。

依此类推，可以得到一个关系表。

单片机程序每隔1ms做一次AD转换，将转换到的AD做如下的逻辑处理：

如果大于760，将热量变量值置为50000。

如果在253与760之间，从上述的表中找到对应的数值加入到热量变量中。

如果小于253，则将热量变量值置为-5，使得电源能够在5秒之后尝试再次输出，同时在过流判断时，能够根据散热情况实现一些恢复的机制。

如果热量变量值大于等于50000，则断开输出，进入故障状态。

在故障状态，如果热量变量值减到0,则再次输出；

软件代码如下：

osdet.adcres = convert(); index = os_getindex(osdet.adcres); if(index >= TAB_NUM){ osdet.heatsum = HEATER_MAX; osdet.state = STATE_OVER; } else { if(uidata < AD_OVERCURRENT) { minus = TRUE; } wtemp = pstab[index]; if(flag) { if(minus) { if( osdet.heatsum >= wtemp) { osdet.heatsum -= wtemp; } else { osdet.heatsum = 0; } } else { if((0xffff - wtemp) > osdet.heatsum) { osdet.heatsum += wtemp; } else { osdet.heatsum = 0xffff; } } if( osdet.heatsum >= HEATER_MAX) { osdet.state = STATE_OVER; } } }