提供過(guò)電流和過(guò)電壓保護的斷路器

圖2顯示了ZR431、D1的簡(jiǎn)化圖。參考輸入的電壓與標稱(chēng)為2.5V的內部電壓參考VREF進(jìn)行比較。 在關(guān)閉狀態(tài)，當參考電壓為0V時(shí)，輸出晶體管關(guān)閉，陰極電流小于0.1mA。當參考電壓接近VREF時(shí)，陰極電流稍微增大，參考電壓超過(guò)2.5V閥值時(shí)，裝置完全接通，陰極電壓降到約2V。在這種條件下，陰極和供電電壓間的阻抗確定了陰極電流，其大小從50mA~100mA。

在正常運行條件下，D2的輸出晶體管關(guān)閉，P溝道MOSFET Q4的柵極通過(guò)R9，使MOSFET全面增強，允許負載電流ILOAD從電源電壓-VS流經(jīng)R6進(jìn)入負載中。Q2與電流檢測電阻R6監測ILOAD的幅度，其中Q2的基射極電壓VBE為ILOAD×R6。對于正常值的ILOAD，VBE小于使 Q2偏置的0.6V，所以晶體管對R3和R4節點(diǎn)的電壓沒(méi)有影響。由于D2參考輸入的輸入電流小于1mA，在R5上的電壓降可忽略，參考電壓實(shí)際上等于R4 上的電壓。

如果當ILOAD超過(guò)其最大允許值時(shí)的過(guò)載情況下，R6上電壓增加，導致足夠的基射極電壓導通Q2。R4的電壓與參考電壓向VS靠近，導致D2陰極電壓降到約2V。D2的輸出晶體管現在吸收通過(guò)R7和R8的電流，將Q3偏置導通。Q4的柵極電壓有效地箝位通過(guò)Q3的電源電壓，然后MOSFET 關(guān)閉。同時(shí)，Q3通過(guò)D1向R4提供電流，從而將R4到二極管電壓降到低于電源電壓。因此，由于Q2的基射極電壓現在為0V，已經(jīng)關(guān)閉，沒(méi)有負載電流通過(guò)R6。結果，無(wú)負載電流通過(guò)R6, D2的輸出晶體管觸發(fā)閂鎖，電路保持其斷路狀態(tài)，其中負載電流為0A。當為R6選擇值時(shí)，在最大允許的負載電流下，應確保Q2的基射極電壓小于約0.5V 。

在對過(guò)電流條件作出反應時(shí)，斷路器還可對異常大的電源電壓作出反應。當負載電流在其正常范圍內，且Q2關(guān)閉時(shí)，電源電壓的大小及在電源線(xiàn)間構成一個(gè)分壓器的R3和R4值，確定了參考輸入的電壓。如果電源出現過(guò)電壓，R4上的電壓超過(guò)2.5V 參考電平，D2的輸出晶體管開(kāi)始導通。Q3 再次導通，MOSFET Q4關(guān)閉，負載有效地與危險的暫態(tài)電壓隔離。

電路保持斷路狀態(tài)直到復位。在這些條件下，Q3將Q4的柵源電壓箝位到0V左右，從而保護了MOSFET 不受過(guò)大柵極源電壓的損壞。不管R5上可忽略的電壓，可以看到參考電壓為VS×R4/(R3+R4)。當參考電壓超過(guò)2.5V時(shí)，由于D2的輸出導通，可以重新設定公式R3=[(VST/2.5)-1]×R4 ，以Ω 表示，其中VST為所需的電源電壓斷路電平。例如，如果R4 值為10kΩ，18V的斷路電壓要求R3值為62 kΩ。在為R3和R4選擇值設定所需的斷路電壓時(shí)，要確保它們足夠大，以保證分壓器不會(huì )使電源過(guò)載。同樣，盡量選擇避免由于參考輸入電流造成誤差的值。

當初次對電路加電時(shí)，會(huì )發(fā)現電容、燈絲、電機及類(lèi)似的負載都有較大的浪涌電流可使斷路器斷路，盡管其正常穩定的工作電流低于R6設定的斷路電平。解決此問(wèn)題的一種方法是添加電容C2，可減慢參考輸入的電壓變化速率。這種方法雖然簡(jiǎn)單但有一個(gè)嚴重的缺點(diǎn)，它會(huì )減慢電路對真正過(guò)電流故障條件的響應時(shí)間。

元件C1、R1、R2和Q1提供了另一種解決方案。在加電時(shí)，C1初次放電使Q1導通，從而將參考輸入箝位到0V，電路斷路時(shí)產(chǎn)生浪涌電流。然后C1通過(guò)R1和R2進(jìn)行充電直到Q1最終關(guān)閉，解脫參考輸入的箝位，可讓電路迅速對過(guò)電流響應。如C1、R1和R2的值，電路允許約400ms后浪涌電流消失。如選擇其它值允許電路的負載承受任意長(cháng)時(shí)間的浪涌電流。如果斷路器斷開(kāi)，可以循環(huán)電源或按復位開(kāi)關(guān)S1，將其復位。如果應用不需要浪涌保護，可簡(jiǎn)單省略C1、R1、R2 和Q1，將S1連接在參考輸入和0V之間即可。

在選擇元件時(shí)，確保所有元件都要符合可能遇到的額定電壓和電流級別。雙極晶體管沒(méi)有特殊需要，這些晶體管，特別是Q2和Q3，應該有較高的電流增益，Q4應該有較低的導通電阻，Q4的最大漏源極和柵源極電壓必須符合電源電壓的最大值。D1可以使用任何小信號二極管。如果可能遇到超大的瞬間電壓，作為保護措施，必須使用齊納二極管 D3和D4來(lái)保護D2。

盡管此電路使用很多制造商都能提供的431器件，但對于D2，并非所有的部分都以相同的方式工作。例如，對Texas Instruments的TL431CLP和Zetex ZR431CL的測試顯示，在參考電壓為0V時(shí)，兩種器件的陰極電流為0A 。然而，逐漸將參考電壓從2.2V增大到2.45V，對于TL431CLP可以形成陰極電流在220mA~380mA的范圍內變化，對于ZR431CL則從23mA變化到28mA，兩種器件間存在約10倍差異。在選擇R7和R8的值時(shí)，必須考慮這種陰極電流大小的差異。

用于D2的器件類(lèi)型及為R7和R8選擇的值也對響應時(shí)間有影響。含有TL431CLP的測試電路，其中R7為1 kΩ，R8為4.7 kΩ，可在550 ns 內對瞬態(tài)過(guò)電流進(jìn)行響應。將TL431CLP替換為ZR431CL，則響應時(shí)間變?yōu)?ms。將R7和R8提高一個(gè)數量級，分別達到10kΩ和47kΩ，可產(chǎn)生2.8ms的響應時(shí)間。注意，如果TL431CLP 的陰極電流相對較大，則相應需要較小的R7和R8值。

要在18V設定過(guò)電壓斷路電平，R3和R4的值必須分別為62 kΩ和10kΩ。測試電路會(huì )產(chǎn)生下列結果：對D2采用TL431CLP，電路在17.94V時(shí)斷路，如對D2采用ZR431CL，斷路電平為18.01V。根據Q2的基射極電壓不同，過(guò)電流檢測機制比過(guò)電壓檢測的精度差一些。然而，以高端的電流檢測放大器來(lái)替換R6和Q2，可極大地提高過(guò)電流檢測精度。該放大器可產(chǎn)生與負載電流成正比的地參考電流。這些器件生產(chǎn)廠(chǎng)家有Linear Technology、Maxim 、Texas Instruments、Zetex和其它一些公司。

斷路器在汽車(chē)系統中很有用，既需要過(guò)電流檢測防止有故障的負載、也需要過(guò)電壓保護避免敏感電路不受高能負載突降瞬態(tài)的影響。除了通過(guò)R3和R4的小電流及D2的陰極電流外，在正常未斷路的狀態(tài)下，電路不從電源吸收電流。