纯硬件过流保护电路

EDA365 2019-03-23 21:32

在电源及电机控制中常用到过流保护功能,这需要对电流进行采样。

同时,如果用单片机实现检测电流进行保护的话需要消耗大量CPU时间,因此我用硬件电路设计了一种带自锁功能的过流保护模块,这对于过流保护可以实现模块化,方便使用。

该模块采用ACS712霍尔传感器采集电流,可将正负过流保护值可以分开来设定,将输出转为0-3.3V的电压,方便DSP采样,最后绘制了PCB,制作了出来。


01电流采样电路的设计

采样电路的比较

电流采样电路通常有“高(压)端电流采样”“低(压)端电流采样”“霍尔传感器采样”三种采样电路,如下图所示,给出高端和低端两种采样电流形式。

低端电流采样

高端电流采样

1

高端电流检测具有如下特点:


优点:可以检测区分负载是否短路、无地电平干扰

缺点:共模电压高,使用非专用分立器件设计较复杂、成本高、面积大

2

低端电流检测具有如下特点:


优点:共模电压低,可以使用低成本的普通运算放大器

缺点:检测电流电阻的引入地电平干扰,电流越大地电位干扰越明显,有时至会影响负载

3

霍尔传感器采样具有如下特点:


优点:对采样信号进行隔离,适合大功率场合

缺点:易受到电磁干扰的作用

本设计考虑到通用型,同时整个系统电流采样保护都与控制部分隔离的情况,采用霍尔电流传感器ACS712进行电流采样


02转换为0-3v输出信号调理电路的设计

ACS712采用单电源5V供电,输出具有很好的线性度,如下图所示。

ACS712输出电压与检测的电流关系

可以看出,当检测电流为0A时,输出2.5V,当电流为+5A时输出电压3.5V,当电流为-5V时输出为1.5V,具有很高的线性度。但是通常DSP的AD采样量程时0-3.3V的,这就需要运行进行调理,转换为0-3.3V之间的电压。

(注意:由于运放是单电源5V供电,因此需要用轨对轨运放,如LMV358。)

由于ACS712输出带载能力有限,通常采用一级电压跟随提高带载能力。之后在后级先用电阻分压,再送入同相比较端,同相放大一倍。分压电阻R2、R3需要先将0-5V的电压分为0-1.5V的电压,因此电阻比为3:7。在后级同相比例放大两倍即为0-3V之间的电压值。电路如下图所示:

输出调理电路

调理电路仿真


03比较及锁存保护电路的设计

本设计的重点在于当出现过流后能自动切断输出,并保持切断的状态。这就需要对电流信号进行比较和对输出信号进行锁存。

本设计考虑到正负过流保护值可能不同,同时触发器通常有两路输入输出,因此设计了两路保护电路,通过按键进行复位。

锁存及复位电路的设计

下图为比较和锁存部分电路,用到D触发器74HC74和电压比较器。

74HC74是一种双D型触发器,有设置和重置引脚,正脉冲触发。此处直接用运放当作比较器用,需要注意的是运放通常是推挽输出,比较器是集电极开路输出,若换做比较器的话,需要加上拉电阻,可以实现“线与”。

比较和锁存电路图

74HC74的控制逻辑如下表所示,本次设计用到的小表中黄色强调部分的逻辑。当电流小于设定的过流保护值时,比较器输出为低电平。

一旦出现过流,比较器输出高,产生上升沿到74HC74的CP端,数据位的高电平被锁存到输出端Q,反相输出端 输出为低电平。

74HC74逻辑图

当复位按键被按下时, 为低电平有效,表现为表中绿色部分逻辑,输出端Q为低电平,与保护时逻辑反相。

以上控制部分逻辑通过Multisim进行了仿真,其中所有的模拟量给的是通过电阻分压给的,仿真电路如下:其中R1为模拟ACS712的输出,R4为负过流保护设定值,R5为正过流保护设定值。

控制部分逻辑仿真电路图

外部控制信号输入

为了方便DSP/MCU控制继电器,如下电路实现了控制信号和两路过流信号的“或”逻辑运算,通过Multisim仿真可以看出,只要任意开关闭合(被置为高电平),输出变为低电平。

图4-5 外部控制端逻辑图及Multisim仿真


04继电器驱动及指示部分设计

下图为P沟道MOSFET驱动继电器电路图,由于74HC74输出驱动能力有限,输入输出电流只有20mA,而继电器通常要求驱动能力为100mA以上。

因此可以通过如下驱动P沟道Mosfet的方法提高带载能力:当SAFE+、SAFE、-SD端都为低电平时,DRIVE端为高电平,Q1的GS端电位为0,MOSFET关断;当DRIVE端为低电平时,MOSFET导通,驱动继电器动作。

继电器及驱动电路图

由于继电器铁芯有电感作用,因此在需要反并联二极管续流。当关断时,二极管导通,提供续流通道。

状态指示部分电路图



(文章整理自网络)

——END——

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