基于运放的过流保护电路设计与实现

在电子电路设计领域，对于一个成功的设计而言，保护电路起着至关重要的作用。过流保护作为一种常见且关键的保护机制，常用于电源电路中，其主要功能是限制电源的输出电流。“过流” 指的是负载上的电流超过了电源的供给限度，这是一种极为危险的情况，很可能会对电源造成损害。因此，工程师们通常会采用过流保护电路，在检测到过流时将负载与电源的连接断开，从而实现对电源和负载的双重保护。

接下来，我们详细介绍如何使用运放打造过流保护电路。过流保护电路有多种类型，其复杂程度取决于过流时保护电路的反应速度。这里要介绍的基于运放的过流保护电路设计，具有易于集成到其他设计中的优点。该设计不仅加入了可调的过流阈值，还具备失效时自动重启的功能。

在这个设计中，我们选用常见的 LM358 运放作为驱动元件。从 LM358 的引脚图（如下所示）可以看出，该 IC 内有两个运放通道，但在本设计中我们仅需使用其中一个。运放需要通过 MOSFET 来闭合（断开）输出负载，这里采用 N 通道的 MOSFET IRF540N。若负载电流大于 500mA，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，我们还用到了 LM7809 线性稳压器。它是一个 9V 1A 的线性稳压器，输入电压范围广，其引脚图如下。

该过流保护电路所需的元件包括：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 电阻以及额定功率为 2W 的 1Ω 分流电阻。

过流保护电路的设计思路是利用运放感知电路是否发生过流，并基于检测结果驱动 MOSFET 来连接或断开负载与电源。其电路图如下。

过流保护电路的工作原理如下：MOSFET IRF540N 在正常与过流情况下控制负载的连接与关断。在关闭负载之前，检测负载电流至关重要。我们通过一个 1Ω 2W 的分流电阻 R1 来检测电流，这种测量电流的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，我们可以使用欧姆定律进行计算。例如，假设负载电流为 1A，则分流电阻上的压降为 1V（因为 V = I x R）。将该电压与使用运放时的预设电压进行比较，就可以检测到过流并改变 MOSFET 的状态，从而切断负载。

在这个电路中，LM358 被配置为比较器。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 起到分压器的作用。分流电阻间的压降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。如果感应电压小于参考电压，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，此处为 0V），这个电压足以控制 MOSFET 的开关。

然而，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，导致比较器无法正常开关负载，运放也会变得不稳定。例如，假设用电位计将 1A 设置为 MOSFET 关断的阈值，当比较器检测到分流电阻间的压降为 1.01V 时，会断开负载。但暂态响应会提高参考电压，迫使比较器在一个线性区间工作。解决该问题的最佳方法是在比较器上使用稳定的电源，确保瞬态改变不会影响比较器的输入电压和参考电压。此外，还需要在比较器上加入额外的滞后。

在本电路中，我们使用线性稳压器 LM7809 和 100kΩ 的滞后电阻 R4。LM7809 为比较器提供了合理的电压，使电源线上的暂态改变不会影响比较器。100uF 电容 C1 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，要使状态从高到低，检测电压应低于低阈值（如 0.97V 而非 0.99V）；要从低到高，检测电压应高于高阈值（如 1.03V 而非 1.01V），这有助于提升比较器的稳定性，减少错误触发的情况。R2 和 R3 用于控制 MOSFET 栅极，R3 是 MOSFET 栅极下拉电阻。

最后，为了优化过流保护电路的性能，我们给出以下设计建议：输出端的 RC 缓冲电路可以有效提高 EMI 性能；在特殊情况下，可以使用更大的散热器及特定的 MOSFET；完善的 PCB 板有助于提升电路的稳定性；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；为了实现小封装，可以采用 mΩ 级的低阻值电阻，但由于其压降会变少，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，建议使用独立的检流放大器。