精密的过电压保护与断路器

文章作者:Anthony Smith

只需要少量廉价的元件，断路器就可以了图1响应过流和过压故障条件。在电路的中心，D₂，一个可调，精密，分流稳压器，提供一个电压基准，比较器，和开路集电极输出，所有集成到一个三引脚封装。

＊图1:这个断路器提供过压和过流保护。除了R3、R4和D2的阴极中流过的电流外，电路在正常的无跳闸状态下没有从电源中吸取电流

图2显示ZR431, D的简化视图₁．在参考输入处出现的电压与内部电压参考V相比较_裁判名义上,2.5 v。在关断状态下，当参考电压为0V时，输出晶体管处于关断状态，阴极电流小于0.1µA。当参考电压接近V_裁判，阴极电流略有增加;当参考电压超过2.5V阈值时，设备完全接通，阴极电压下降到大约2V。在这种情况下，阴极与电源电压之间的阻抗决定了阴极电流;阴极电流可以在50µA到100 mA之间。

图2在ZR431的简化视图中，其参考输入的电压与内部电压参考相比较，后者名义上是2.5V。

在正常操作条件下，D₂的输出晶体管是关的，p通道MOSFET Q的门₄通过R₉，这样MOSFET完全增强，允许负载电流，I_负载，从电源电压，-V_年代通过R₆到负载。问₂和电流检测电阻R₆监测I的大小_负载,问₂’s基极-发射极电压V_是,是我_负载×R₆．对于I的正常值_负载, V_是小于偏置Q所需的0.6V₂使晶体管对R结的电压没有影响_3.和R₄．因为D的输入电流₂当R的参考输入小于1µA时，可以忽略R上的电压降₅，且参考电压实际上等于R上的电压₄．
在过载的情况下_负载超过其最大允许值时，R上的电压升高₆产生足够的基极-发射极电压来打开Q₂．R上的电压₄因此，参考电压现在被拉向V_年代,导致维₂使其阴极电压降至约2V。D₂’s的输出晶体管现在使电流通过R吸收₇和R₈，从而偏置Q_3.上。问₄’s的栅极电压现在通过Q有效地箝位到电源电压_3.， MOSFET关闭。在同一时刻，Q_3.R源电流₄通过D₁，从而拉动R上的电压₄到二极管降至电源电压以下。因此，无负载电流流过R₆因为问₂，其基极-发射极电压现在为0V，已关闭。因此，无负载电流流过R₆D₂输出晶体管锁存，电路保持跳闸状态，负载电流为0A。当为R选择一个值时₆，确保Q₂在负载电流的最大允许值下，其基极-发射极电压小于约0.5V。
除响应过电流条件外，断路器还对供电电压的异常大值作出反应。当负载电流在其正常范围和Q₂开关时，电源电压的大小和R_3.和R₄，通过电源轨道形成一个电压分压器，确定参考输入处的电压。如果电源电压上有过电压，则R上的电压₄超过2.5V参考电平，而D₂的输出晶体管打开。再一次,问_3.打开，MOSFET Q₄切断电源，负载与危险的瞬态信号有效隔离。
电路现在保持跳闸状态，直到复位。在这些条件下，Q_3.夹问₄因此保护MOSFET本身不受过多的门源电压的影响。忽略R上可以忽略的小电压₅，你可以看到参考电压是V_年代×R₄/ (R_3.+ R₄在伏)。因为维₂当参考电压超过2.5V时，R的输出接通，你可以将方程重新排列为R_3.= [(V_圣/ 2.5) 1)×R₄其中V_圣是所需的电源电压跳闸电平。例如，如果R₄有一个值为10 kΩ，一个跳闸电压18V将需要R_3.将值设置为62 kΩ。当为R_3.和R₄要设置所需的跳闸电压，请确保其足够大，以使分压器不会过度负载电源。类似地，避免由于参考输入电流可能导致错误的值。
当你第一次给电路供电时，你会发现电容，灯泡灯丝，电机和类似的有大涌流的负载可以跳闸断路器，即使他们的正常，稳定的工作电流低于跳闸水平R₆集。消除这个问题的一种方法是添加电容C₂，它减缓了参考输入处电压的变化率。然而，虽然简单，这种方法有一个严重的缺点，它减慢了电路的响应时间，以真正的过流故障条件。
组件C₁, R₁, R₂,问₁提供一个替代的解决方案。在升高,C₁最初放电，产生Q₁打开，从而箝位参考输入到0V，并防止冲击电流跳闸电路。C₁然后电荷通过R₁和R₂直到问₁最终关断，松开参考输入处的钳位，让电路快速响应过电流瞬态。C的值₁, R₁R₂，该电路允许约400毫秒的涌流平息。选择其他值可以使电路适应施加到负载上的任何冲击电流的持续时间。一旦你跳闸断路器，你可以通过循环电源或按S复位它₁，复位开关，通过C连接₁．如果您的应用程序不需要涌流保护，只需省略C₁, R₁, R₂,问₁和连接年代₁在参考输入和0V之间。
在选择部件时，确保所有部件的额定电压和电流都是正确的。双极晶体管没有特殊的要求，尽管这些晶体管，特别是Q₂和问_3.，应具有高电流增益，Q₄应具有低导通电阻，Q₄其最大漏源极电压和栅极源极电压必须与电源电压的最大值相匹配。你可以使用几乎任何小信号二极管的D₁．作为预防措施，可能有必要安装齐纳二极管D_3.和D₄保护D₂如果可能产生非常大的瞬态电压。
虽然这个电路使用431器件，这是广泛从不同的制造商，为D₂，并不是所有这些部分都以完全相同的方式工作。例如，对德州仪器TL431CLP和Zetex ZR431CL的测试显示，当参考电压为0V时，两种设备的阴极电流都是0A。然而，当参考电压从2.2 v逐渐增加到2.45V时，TL431CLP的阴极电流从220 ~ 380µa变化，zr431cl的阴极电流从23 ~ 28µa变化——这两个器件之间的差异大约是10倍。在选择R值时，必须考虑到阴极电流大小的差异₇和R₈．
你用于D的设备类型₂以及为R选择的值₇和R₈也会对响应时间产生影响。一个带有TL431CLP的测试电路，其中R₇是1 kΩ和R吗₈是4.7 kΩ，在550 nsec内响应过电流瞬变。用ZR431CL替换TL431CLP将导致大约1µ秒的响应时间。增加R₇和R₈分别以10和47 kΩ的数量级产生2.8µsec的响应时间。注意TL431CLP相对较大的阴极电流要求相应的R值较小₇和R₈．
设置过电压跳闸电平为18V, R_3.和R₄必须分别为62和10 kΩ。然后，测试电路产生以下结果₂，电路在17.94V跳闸，并使用ZR431CL为D₂，行程电平为18.01V。根据问₂在其基极-发射极电压下，过电流检测机制不如过电压功能精确。然而，通过替换R，过流检测精度得到了极大的提高₆和问₂采用高侧电流检测放大器，产生与负载电流成比例的接地参考电流。这些设备可以从Linear Technology, Maxim, Texas Instruments, Zetex等公司获得。
在汽车系统等应用中，断路器应该是有用的，这些应用需要过电流检测来保护故障负载，也需要过电压保护来屏蔽敏感电路免受高能量负载瞬变的影响。除了小电流流过R_3.和R₄电流为D₂在正常的非跳闸状态下，电路从电源中得不到电流。

这篇文章是由编辑挑选的重新出版的设计构思。它于2007年6月7日首次发表在EDN.com上。