在電源及電機(jī)控制中常用到過(guò)流保護(hù)功能

在電源及電機(jī)控制中常用到過(guò)流保護(hù)功能，這需要對(duì)電流進(jìn)行采樣。

同時(shí)，如果用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)電流進(jìn)行保護(hù)的話需要消耗大量CPU時(shí)間，因此我用硬件電路設(shè)計(jì)了一種帶自鎖功能的過(guò)流保護(hù)模塊，這對(duì)于過(guò)流保護(hù)可以實(shí)現(xiàn)模塊化，方便使用。

該模塊采用ACS712霍爾傳感器采集電流，可將正負(fù)過(guò)流保護(hù)值可以分開來(lái)設(shè)定，將輸出轉(zhuǎn)為0-3.3V的電壓，方便DSP采樣，最后繪制了PCB，制作了出來(lái)。

01電流采樣電路的設(shè)計(jì)

采樣電路的比較

電流采樣電路通常有“高(壓)端電流采樣”和“低(壓)端電流采樣”和“霍爾傳感器采樣”三種采樣電路，如下圖所示，給出高端和低端兩種采樣電流形式。

低端電流采樣

高端電流采樣

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高端電流檢測(cè)具有如下特點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：可以檢測(cè)區(qū)分負(fù)載是否短路、無(wú)地電平干擾缺點(diǎn)：共模電壓高，使用非專用分立器件設(shè)計(jì)較復(fù)雜、成本高、面積大2

低端電流檢測(cè)具有如下特點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：共模電壓低，可以使用低成本的普通運(yùn)算放大器缺點(diǎn)：檢測(cè)電流電阻的引入地電平干擾，電流越大地電位干擾越明顯，有時(shí)至?xí)绊懾?fù)載3

霍爾傳感器采樣具有如下特點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行隔離，適合大功率場(chǎng)合

缺點(diǎn)：易受到電磁干擾的作用

本設(shè)計(jì)考慮到通用型，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)電流采樣保護(hù)都與控制部分隔離的情況，采用霍爾電流傳感器ACS712進(jìn)行電流采樣。

02轉(zhuǎn)換為0-3v輸出信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

ACS712采用單電源5V供電，輸出具有很好的線性度，如下圖所示。

ACS712輸出電壓與檢測(cè)的電流關(guān)系

可以看出，當(dāng)檢測(cè)電流為0A時(shí)，輸出2.5V，當(dāng)電流為+5A時(shí)輸出電壓3.5V，當(dāng)電流為-5V時(shí)輸出為1.5V，具有很高的線性度。但是通常DSP的AD采樣量程時(shí)0-3.3V的，這就需要運(yùn)行進(jìn)行調(diào)理，轉(zhuǎn)換為0-3.3V之間的電壓。

(注意：由于運(yùn)放是單電源5V供電，因此需要用軌對(duì)軌運(yùn)放，如LMV358。)由于ACS712輸出帶載能力有限，通常采用一級(jí)電壓跟隨提高帶載能力。之后在后級(jí)先用電阻分壓，再送入同相比較端，同相放大一倍。分壓電阻R2、R3需要先將0-5V的電壓分為0-1.5V的電壓，因此電阻比為3：7。在后級(jí)同相比例放大兩倍即為0-3V之間的電壓值。電路如下圖所示：

輸出調(diào)理電路

調(diào)理電路仿真

03比較及鎖存保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流后能自動(dòng)切斷輸出，并保持切斷的狀態(tài)。這就需要對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行比較和對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行鎖存。

本設(shè)計(jì)考慮到正負(fù)過(guò)流保護(hù)值可能不同，同時(shí)觸發(fā)器通常有兩路輸入輸出，因此設(shè)計(jì)了兩路保護(hù)電路，通過(guò)按鍵進(jìn)行復(fù)位。

鎖存及復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

下圖為比較和鎖存部分電路，用到D觸發(fā)器74HC74和電壓比較器。

74HC74是一種雙D型觸發(fā)器，有設(shè)置和重置引腳，正脈沖觸發(fā)。此處直接用運(yùn)放當(dāng)作比較器用，需要注意的是運(yùn)放通常是推挽輸出，比較器是集電極開路輸出，若換做比較器的話，需要加上拉電阻，可以實(shí)現(xiàn)“線與”。

比較和鎖存電路圖

74HC74的控制邏輯如下表所示，本次設(shè)計(jì)用到的小表中黃色強(qiáng)調(diào)部分的邏輯。當(dāng)電流小于設(shè)定的過(guò)流保護(hù)值時(shí)，比較器輸出為低電平。

一旦出現(xiàn)過(guò)流，比較器輸出高，產(chǎn)生上升沿到74HC74的CP端，數(shù)據(jù)位的高電平被鎖存到輸出端Q，反相輸出端 輸出為低電平。

74HC74邏輯圖

當(dāng)復(fù)位按鍵被按下時(shí)， 為低電平有效，表現(xiàn)為表中綠色部分邏輯，輸出端Q為低電平，與保護(hù)時(shí)邏輯反相。

以上控制部分邏輯通過(guò)Multisim進(jìn)行了仿真，其中所有的模擬量給的是通過(guò)電阻分壓給的，仿真電路如下：其中R1為模擬ACS712的輸出，R4為負(fù)過(guò)流保護(hù)設(shè)定值，R5為正過(guò)流保護(hù)設(shè)定值。

控制部分邏輯仿真電路圖

外部控制信號(hào)輸入

為了方便DSP/MCU控制繼電器，如下電路實(shí)現(xiàn)了控制信號(hào)和兩路過(guò)流信號(hào)的“或”邏輯運(yùn)算，通過(guò)Multisim仿真可以看出，只要任意開關(guān)閉合(被置為高電平)，輸出變?yōu)榈碗娖健?/p>

圖4-5 外部控制端邏輯圖及Multisim仿真

04繼電器驅(qū)動(dòng)及指示部分設(shè)計(jì)

下圖為P溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)繼電器電路圖，由于74HC74輸出驅(qū)動(dòng)能力有限，輸入輸出電流只有20mA，而繼電器通常要求驅(qū)動(dòng)能力為100mA以上。

因此可以通過(guò)如下驅(qū)動(dòng)P溝道Mosfet的方法提高帶載能力：當(dāng)SAFE+、SAFE、-SD端都為低電平時(shí)，DRIVE端為高電平，Q1的GS端電位為0，MOSFET關(guān)斷;當(dāng)DRIVE端為低電平時(shí)，MOSFET導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作。

繼電器及驅(qū)動(dòng)電路圖

由于繼電器鐵芯有電感作用，因此在需要反并聯(lián)二極管續(xù)流。當(dāng)關(guān)斷時(shí)，二極管導(dǎo)通，提供續(xù)流通道。