提供过电流和过电压保护的断路器

2007-10-11 09:09:02来源: EDN China 关键字:集电极  晶体管  负载
图1中的断路器仅需几个廉价的元件,即可过电流和过电压故障状态进行反应。电路的核心是可调节的精密分路电压调节器D2,置在一只3引脚的封装中,提供了电压参考、比较器集电极开路输出。

图2显示了ZR431、D1的简化图。参考输入的电压与标称为2.5V的内部电压参考VREF进行比较。 在关闭状态,当参考电压为0V时,输出晶体管关闭,阴极电流小于0.1mA。当参考电压接近VREF时,阴极电流稍微增大,参考电压超过2.5V阀值时,装置完全接通,阴极电压降到约2V。在这种条件下,阴极和供电电压间的阻抗确定了阴极电流,其大小从50mA~100mA。

在正常运行条件下,D2的输出晶体管关闭,P沟道MOSFET Q4的栅极通过R9,使MOSFET全面增强,允许负载电流ILOAD从电源电压-VS流经R6进入负载中。Q2与电流检测电阻R6监测ILOAD的幅度,其中Q2的基射极电压VBE为ILOAD×R6。对于正常值的ILOAD,VBE小于使 Q2偏置的0.6V,所以晶体管对R3和R4节点的电压没有影响。由于D2参考输入的输入电流小于1mA,在R5上的电压降可忽略,参考电压实际上等于R4 上的电压。

如果当ILOAD超过其最大允许值时的过载情况下,R6上电压增加,导致足够的基射极电压导通Q2。R4的电压与参考电压向VS靠近,导致D2阴极电压降到约2V。D2的输出晶体管现在吸收通过R7和R8的电流,将Q3偏置导通。Q4的栅极电压有效地箝位通过Q3的电源电压,然后MOSFET 关闭。同时,Q3通过D1向R4提供电流,从而将R4到二极管电压降到低于电源电压。因此,由于Q2的基射极电压现在为0V,已经关闭,没有负载电流通过R6。结果,无负载电流通过R6, D2的输出晶体管触发闩锁,电路保持其断路状态,其中负载电流为0A。当为R6选择值时,在最大允许的负载电流下,应确保Q2的基射极电压小于约0.5V 。

在对过电流条件作出反应时,断路器还可对异常大的电源电压作出反应。当负载电流在其正常范围内,且Q2关闭时,电源电压的大小及在电源线间构成一个分压器的R3和R4值,确定了参考输入的电压。如果电源出现过电压,R4上的电压超过2.5V 参考电平,D2的输出晶体管开始导通。Q3 再次导通,MOSFET Q4关闭,负载有效地与危险的暂态电压隔离。

电路保持断路状态直到复位。在这些条件下,Q3将Q4的栅源电压箝位到0V左右,从而保护了MOSFET 不受过大栅极源电压的损坏。不管R5上可忽略的电压,可以看到参考电压为VS×R4/(R3+R4)。当参考电压超过2.5V时,由于D2的输出导通,可以重新设定公式R3=[(VST/2.5)-1]×R4 ,以Ω 表示,其中VST为所需的电源电压断路电平。例如,如果R4 值为10kΩ,18V的断路电压要求R3值为62 kΩ。在为R3和R4选择值设定所需的断路电压时,要确保它们足够大,以保证分压器不会使电源过载。同样,尽量选择避免由于参考输入电流造成误差的值。

当初次对电路加电时,会发现电容、灯丝、电机及类似的负载都有较大的浪涌电流可使断路器断路,尽管其正常稳定的工作电流低于R6设定的断路电平。解决此问题的一种方法是添加电容C2,可减慢参考输入的电压变化速率。这种方法虽然简单但有一个严重的缺点,它会减慢电路对真正过电流故障条件的响应时间。

元件C1、R1、R2和Q1提供了另一种解决方案。在加电时,C1初次放电使Q1导通,从而将参考输入箝位到0V,电路断路时产生浪涌电流。然后C1通过R1和R2进行充电直到Q1最终关闭,解脱参考输入的箝位,可让电路迅速对过电流响应。如C1、R1和R2的值,电路允许约400ms后浪涌电流消失。如选择其它值允许电路的负载承受任意长时间的浪涌电流。如果断路器断开,可以循环电源或按复位开关S1,将其复位。如果应用不需要浪涌保护,可简单省略C1、R1、R2 和Q1,将S1连接在参考输入和0V之间即可。

在选择元件时,确保所有元件都要符合可能遇到的额定电压和电流级别。双极晶体管没有特殊需要,这些晶体管,特别是Q2和Q3,应该有较高的电流增益,Q4应该有较低的导通电阻,Q4的最大漏源极和栅源极电压必须符合电源电压的最大值。D1可以使用任何小信号二极管。如果可能遇到超大的瞬间电压,作为保护措施,必须使用齐纳二极管 D3和D4来保护D2。

尽管此电路使用很多制造商都能提供的431器件,但对于D2,并非所有的部分都以相同的方式工作。例如,对Texas Instruments的TL431CLP和Zetex ZR431CL的测试显示,在参考电压为0V时,两种器件的阴极电流为0A 。然而,逐渐将参考电压从2.2V增大到2.45V,对于TL431CLP可以形成阴极电流在220mA~380mA的范围内变化,对于ZR431CL则从23mA变化到28mA,两种器件间存在约10倍差异。在选择R7和R8的值时,必须考虑这种阴极电流大小的差异。

用于D2的器件类型及为R7和R8选择的值也对响应时间有影响。含有TL431CLP的测试电路,其中R7为1 kΩ,R8为4.7 kΩ,可在550 ns 内对瞬态过电流进行响应。将TL431CLP替换为ZR431CL,则响应时间变为1ms。将R7和R8提高一个数量级,分别达到10kΩ和47kΩ,可产生2.8ms的响应时间。注意,如果TL431CLP 的阴极电流相对较大,则相应需要较小的R7和R8值。

要在18V设定过电压断路电平,R3和R4的值必须分别为62 kΩ和10kΩ。测试电路会产生下列结果:对D2采用TL431CLP,电路在17.94V时断路,如对D2采用ZR431CL,断路电平为18.01V。根据Q2的基射极电压不同,过电流检测机制比过电压检测的精度差一些。然而,以高端的电流检测放大器来替换R6和Q2,可极大地提高过电流检测精度。该放大器可产生与负载电流成正比的地参考电流。这些器件生产厂家有Linear Technology、Maxim 、Texas Instruments、Zetex和其它一些公司。

断路器在汽车系统中很有用,既需要过电流检测防止有故障的负载、也需要过电压保护避免敏感电路不受高能负载突降瞬态的影响。除了通过R3和R4的小电流及D2的阴极电流外,在正常未断路的状态下,电路不从电源吸收电流。

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