简单过流保护电路设计方案汇总（七款模拟电路设计原理图详解）

过流保护电路工作原理

当电路处于正常状态时，通过过流保护用PTC热敏电阻的电流小于额定电流，过流保护用PTC热敏电阻处于常态，阻值很小，不会影响被保护电路的正常工作。当电路出现故障，电流大大超过额定电流时，过流保护用PTC热敏电阻陡然发热，呈高阻态，使电路处于相对“断开”状态，从而保护电路不受破坏。当故障排除后，过流保护用PTC热敏电阻亦自动回复至低阻态，电路恢复正常工作。

简单过流保护电路设计方案（一）

传统的过流保护电路由电流感应电路、比较电路以及输出级组成，分为恒流式过流保护和折返式过流保护。传统的过流保护电路采用的是“中断”模式，对于任何过流情况，只要负载电流大于限制电流，都将使LDO中断运行。

当负载电流超过限制电流ILIMIT不太多且持续作用时间不太长时，我们希望过流保护电路能保持LDO不中断工作，因此需要采用“屏蔽”模式屏蔽掉部分可以让LDO不中断运行的过流信号，对于过流幅值和持续作用时间超过范围的过流信号，过流保护电路又能采取中断LDO工作的模式。传统的“中断”模式电流保护电路工作状态如图1（a）所示，分为正常工作区Ⅰ和“中断”区Ⅱ，当负载电流不超过ILIMIT时，LDO工作在正常工作区，当负载电流超过ILIMIT时LDO进入“中断”区。加入“屏蔽”模式后的过流保护电路工作状态如图1（b），分为正常工作区Ⅲ、屏蔽区Ⅳ以及中断区Ⅴ，当负载电流小于ILIMIT时，LDO处于正常工作区，当过流信号的幅值在ILIMIT和最大幅值电流IMAX之间，持续作用时间在t=tMAX之内即同时满足ILIMIT≤ILOAD≤IMAX，t≤tMAX时，LDO进入屏蔽区，这个范围之外的过流信号将进入中断区。对比图1（a）和（b）可以看出，改进过流保护电路后的LDO的正常工作区包括图1（b）的正常工作区Ⅲ和“屏蔽”区Ⅳ，增大了工作区的范围，提高了LDO的工作效率。

包含过流保护电路的LDO整体框图如图2所示，虚线左边是LDO主体电路，包括误差放大器、功率管、负载电阻以及分压电阻。虚线右边部分为电流保护电路，主要作用是感应并检测负载电流是否超过限制电流，然后通过控制功率管来决定是否使LDO中断运行，包括电流感应电路和控制电路。传统的过流保护电路只采用图2中实框Ⅱ所示的“中断”模式（不包括虚框），对于任何负载过流情况，不论持续作用时间如何，都使LDO中断工作；本文在传统的“中断”模式基础上，增加了“屏蔽”模式（如图2中虚框Ⅰ），能有效屏蔽希望LDO不中断工作的过流信号，使LDO更高效运行，同时保留“中断”模式，保证LDO安全工作。

图2  带过流保护电路的LDO框图

“屏蔽”模式电路实现

图3是改进前后的过流保护电路图。不加虚框部分是传统的“中断”模式过流保护电路，由电流感应电路、比较电路以及输出级电路组成。电流感应电路采样功率管电流。采样得到的电流和限制电流ILIMIT分别转化为比较器的两输入端电压VSENSE和VLIMIT并进行比较，得到VCO。VCO作用于输出级电路以控制功率管栅极电压。如果负载过流，过流保护电路使得功率管栅极电压PG为高电平，强行使LDO中断。

图3  改进后的电流保护电路图

如果我们在电路中加入图3虚框A区所示的电路结构，电路将变为“屏蔽”模式电流保护。屏蔽电路由延时电路、或非门构成。比较器甲输出的信号VB1经过延时后得到VB2，VB1和VB2进行或非运算再经过一次反向后得到屏蔽电路的输出信号VBOUT。

由于逻辑或运算只能使同时为1的两个信号保持不变，因此，可以通过或非门和反相器消除掉延迟时间内的脉冲信号。在过流保护电路中增加屏蔽电路，则可屏蔽掉延迟时间内的过流信号，但如果负载电流太大，可能瞬间烧毁功率管，因此需要相应的关断电路。当负载电流超过最大限制电流IMAX时，过流保护电路能不经过延迟直接关断LDO。

图3虚框B区电路能解决屏蔽时间内大电流可能导致功率管瞬间烧毁的问题，当延迟时间内出现很大过流信号时，能及时关断功率管，保证系统安全。关断电路由比较器乙和NMOS开关管M1组成。

当过流信号超过最大限制电流IMAX（此时VSENSE》VMAX）时，比较器乙输出VCOUT为高电平导致开关管M1导通，使得VCO强行为低电平而不受屏蔽电路影响并同步关断LDO，保证功率管安全。当过流电流不是太大时，比较器输出电压VCOUT为低，开关管M1不导通，不影响屏蔽电路工作。

图3所示的改进电流保护电路能够实现图1（b）所期望的“屏蔽”区工作模式。负载电流过流最大持续作用时间tMAX和最大过流幅值IMAX即为“屏蔽”区的时间和幅值边界。实际应用中，功率管能承受的热功耗和击穿电流是有限的。最大持续作用时间tMAX由功率管能承受的热功耗和散热性能决定，而功率管的最大击穿电流确定了过流的最大幅值IMAX。

对于特定的应用需要，通过设定合理的屏蔽时间与最大过流幅值，能使LDO更高效地运行。

“屏蔽”模式的逻辑关系如图4所示，其中VB1和VCOUT分别为比较器甲和乙的输出信号，VB1经过一个延迟时间后输出信号为VB2，屏蔽电路输出电压为VBOUT，VCO为屏蔽电路的输出端。VB1、VB2和VBOUT的波形反应了屏蔽电路的逻辑关系，只有当VB1和VB2同时为高电平，VBOUT才为低电平，否则VBOUT一直为高电平，因此屏蔽电路屏蔽了延迟时间内的脉冲信号，保持宽脉冲信号；VCOUT为使能端，只要VCOUT为高电平，VCO立即变为低电平。

图4“屏蔽”电路逻辑关系图

简单过流保护电路设计方案（二）

采用电流传感器进行电流检测

过流检测传感器的工作原理如图1所示。通过变流器所获得的变流器次级电流经I／V转换成电压，该电压直流化后，由电压比较器与设定值相比较，若直流电压大于设定值，则发出辨别信号。但是这种检测传感器一般多用于监视感应电源的负载电流，为此需采取如下措施。由于感应电源启动时，启动电流为额定值的数倍，与启动结束时的电流相比大得多，所以在单纯监视电流电瓶的情况下，感应电源启动时应得到必要的输出信号，必须用定时器设定禁止时间，使感应电源启动结束前不输出不必要的信号，定时结束后，转入预定的监视状态。

启动浪涌电流限制电路

开关电源在加电时，会产生较高的浪涌电流，因此必须在电源的输入端安装防止浪涌电流的软启动装置，才能有效地将浪涌电流减小到允许的范围内。浪涌电流主要是由滤波电容充电引起，在开关管开始导通的瞬间，电容对交流呈现出较低的阻抗。如果不采取任何保护措施，浪涌电流可接近数百A。

开关电源的输入一般采用电容整流滤波电路如图2所示，滤波电容C可选用低频或高频电容器，若用低频电容器则需并联同容量高频电容器来承担充放电电流。图中在整流和滤波之间串入的限流电阻Rsc是为了防止浪涌电流的冲击。合闸时Rsc限制了电容C的充电电流，经过一段时间，C上的电压达到预置值或电容C1上电压达到继电器T动作电压时，Rsc被短路完成了启动。同时还可以采用可控硅等电路来短接Rsc。当合闸时，由于可控硅截止，通过Rsc对电容C进行充电，经一段时间后，触发可控硅导通，从而短接了限流电阻Rsc。

采用基极驱动电路的限流电路

在一般情况下，利用基极驱动电路将电源的控制电路和开关晶体管隔离开。控制电路与输出电路共地，限流电路可以直接与输出电路连接，工作原理如图3所示，当输出过载或者短路时，V1导通，R3两端电压增大，并与比较器反相端的基准电压比较。控制PWM信号通断。

通过检测IGBT的Vce

当电源输出过载或者短路时，IGBT的Vce值则变大，根据此原理可以对电路采取保护措施。对此通常使用专用的驱动器EXB841，其内部电路能够很好地完成降栅以及软关断，并具有内部延迟功能，可以消除干扰产生的误动作。其工作原理如图4所示，含有IGBT过流信息的Vce不直接发送到EXB841的集电极电压监视脚6，而是经快速恢复二极管VD1，通过比较器IC1输出接到EXB841的脚6，从而消除正向压降随电流不同而异的情况，采用阈值比较器，提高电流检测的准确性。假如发生了过流，驱动器：EXB841的低速切断电路会缓慢关断IGBT，从而避免集电极电流尖峰脉冲损坏IGBT器件。

简单过流保护电路设计方案（三）

直流电路的过流保护设计方法

电子保护电路具有高速断流、恢复容易的特点，可应用于任何直流电路中作过流保护装置。而采用普通熔丝的保护电路，其过电流反应是较迟钝的，因而不能作为灵敏的保护装置。

原理：电子保护电路如附图所示。当微动开关Ｋ接通时，单向晶闸管ＳＣＲ导通，直流电路也导通。当用电量增大到超过规定的允许值时，检测电阻Ｒ１上的电压大于０．７Ｖ时，晶体管ＢＧ导通，此时晶体管集电极Ｃ和基极ｂ间的电压下降到低于３ＣＴ的维持电压，３ＣＴ关断，切断供电电路。

元件选择：当电路两端电压≤１００Ｖ时，ＢＧ用３ＤＤ１５Ｃ，单向晶闸管ＳＣＲ可用６Ａ／４００Ｖ。Ｒ１的阻值是根据电源所允许的电流确定的，即Ｒ１＝０．７／Ｉ（Ｉ为电源允许电流）。若电路的耗电是５Ｗ，Ｒ２阻值为０．３５Ω的线绕电阻，允许通过的电流为２Ａ。

简单过流保护电路设计方案（四）

带自锁的过流保护电路

 

 

1.第一个部分是电阻取样，负载和R1串联，大家都知道。串联的电流相等，.R2上的电压随着负载的电流变化而变化，电流大，R2两端电压也高，.R3 D1组成运放保护电路，防止过高的电压进入运放导致运放损坏，.C1是防止干扰用的。

2.第二部分是一个大家相当熟悉的同相放大器，由于前级的电阻取样的信号很小，所以得要用放大电路放大。才能用，放大倍数由VR1 R4决定。

3.第三部分是一个比较器电路，放大器把取样的信号放大，然后经过这级比较，从而去控制后级的动作，是否切断电源或别的操作，比较器是开路输出。所以要加上上位电阻，不然无法输出高电平。

4.第四部分是一个驱动继电器的电路，这个电路和一般所不同的是，这个是一个自锁电路， 一段保护信号过来后，这个电路就会一直工作，直到断掉电源再开机，这个自锁电路结构和单向可控硅差不多。

简单过流保护电路设计方案（五）

过流保护用PTC热敏电阻通过其阻值突变限制整个线路中的消耗来减少残余电流值。可取代传统的保险丝，广泛用于马达、变压器、开关电源、电子线路等的过流过热保护，传统的保险丝在线路熔断后无法自行恢复， 而过流保护用PTC热敏电阻在故障撤除后即可恢复到预保护状态，当再次出现故障时又可以实现其过流过热保护功能 。

过流保护电路图

简单过流保护电路设计方案（六）

当电动机启动时，按一下带锁扣式按钮SBi，启动结束（电动机转速稳定后），再按一下SBi，这时保护电路投入工作。对于启动时间短（如数秒）的电动机，SBi也可采用普通按钮，只要在启动过程中一直按着SBi即可。

电动机正常运行时，电流互感器TAi~TA3次级感应电势较小，也不足以触发晶闸管V。如下图所示。

简单过流保护电路设计方案（七）

电流采样及信号调理电路设计

常用的电流采样方式有采样电阻法和霍尔电流互感器法两种。在采样电流精度要求不高的场达母线电流进行采样，然后对采样数据进行信号调理，再将调理过后的信号输入到过流故障保护电路。本文设计了三种过流保护，分别是瞬时过流保护电路、软件平均电流保护电路和硬件平均电合下，釆样电阻法有着结构简单和成本低的优势。采样电阻法是在三相全桥电路下桥臂的COM端接一个高精度电阻，将电流信号转换成电压信号，通过检测采样电阻的电压值就可以计算出此时三相全桥电路的电流，即马达母线电流。在本电路设计中，选用了阻值为0.10、精度为1%的电阻作为电流采样电阻。电流采样及信号调理电路的硬件设计如图1所示。

图1：电流采样及信号调理电路

在图1的电路中，采样电阻的电压K通过信号调理电路放大到1〜1.5V之间，输入微控制器的AD釆用单元。釆样信号上叠加了高频干信号，特别是由马达换相引起的瞬时尖峰信号，因此在采样信号调理电路设计了低通滤波器，用于吸收采样电阻的高频干扰信号，减小输入信号的高频波动。同时在运算放大器的反馈环节上设计了积分电容，减小高频增益，稳定直流分量，降低高频干扰信号对输出信号的影响。

电流保护电路设计

本控制系统设计了三种电流保护电路，分别是软件平均电流保护电路、硬件电流保护电路和瞬时电流保护电路。

（1）软件平均电流保护电路

微控制器的AD单元对信号调理电路的模拟输出信号进行周期性的采样，转换为数字信号并计算马达母线电流，软件程序通过滑动窗口的方式计算平均电流，对母线的平均电流做窗口限制，并进行故障处理。

（2）硬件电流保护电路

硬件电流保护是通过信号调理电路和过流故障保护电路来实现的，信号调理电路输出的模拟电压输入到过流故障保护电路，并在过流时做故障处理。过流故障保护电路的原理图如图2所示。

图2：过流故障保护电路

在过流故障保护电路的设计中，比较器输出端幵漏，其同相输入端为信号调理电路的输出值，反相输入端为限流电压。D触发器Q端的输出信号用于控制VEE开关电路的使能与失能。当运行出现故障导致电流大于限定值时，限流比较器输出高电平，在电平的上升沿，D触发器的Q端输出高电平，Q输出低电平并保持锁定。M_PTR_OUT控制VEE开关电路关闭。

通过调节信号处理电路的滤波电容和积分电容，滤除高频波动信号，稳定直流分量，提升硬件电流保护性能。

（3）瞬时电流保护电路

瞬时电路保护电路主要是在运行中对全桥电路的瞬时电流进行监测，减小电路中的高能量尖峰对全桥MOS管的影响。当全桥电路中瞬时电流高于限定值时，保护电路将关闭6路PWM输出，并开启报警指示灯；当高压瞬时电流小于限定值时，将自动开启PWM驱动输出。瞬时电流保护电路如图3所示。

图3：瞬时电流保护电路的电路

瞬时过流保护电路是通过STM32的BREAK功能来实现的，发生瞬时过流时，比较器输出反转置高电平，STM32的主输出使能位MOE被异步清除，关闭定时器的互补输出；当瞬时电流降低后，比较器输出低电平，BREAK刹车无效，主输出使能位MOE将在定时器的更新事件时自动置1，定时器的互补输出恢复。