在電源及電機控制領(lǐng)域，過流保護功能是保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，而實現(xiàn)這一功能需要對電流進行精確采樣。如果采用單片機進行電流檢測和保護，會消耗大量的 CPU 時間。因此，設(shè)計一種純硬件的帶自鎖功能的過流保護模塊具有重要的實際意義，它能夠?qū)崿F(xiàn)過流保護的模塊化，便于在不同的電路設(shè)計中應(yīng)用。

電流采樣電路的設(shè)計

常見的電流采樣電路有 “高（壓）端電流采樣”“低（壓）端電流采樣” 和 “霍爾傳感器采樣” 三種，以下是對它們特點的詳細分析：

• 高端電流檢測：優(yōu)點是可以檢測區(qū)分負載是否短路，并且無地電平干擾；缺點是共模電壓高，使用非專用分立器件設(shè)計時較為復(fù)雜，成本高且占用面積大。
• 低端電流檢測：優(yōu)點是共模電壓低，能夠使用低成本的普通運算放大器；缺點是檢測電流電阻的引入會產(chǎn)生地電平干擾，且電流越大，地電位干擾越明顯，有時甚至?xí)绊懾撦d正常工作。
• 霍爾傳感器采樣：優(yōu)點是對采樣信號進行隔離，適合大功率場合；缺點是易受到電磁干擾的影響。

考慮到通用性以及整個系統(tǒng)電流采樣保護與控制部分隔離的需求，本設(shè)計采用霍爾電流傳感器 ACS712 進行電流采樣。

轉(zhuǎn)換為 0 - 3V 輸出信號調(diào)理電路的設(shè)計

ACS712 采用單電源 5V 供電，輸出具有良好的線性度。從其輸出電壓與檢測電流的關(guān)系可以看出，當(dāng)檢測電流為 0A 時，輸出 2.5V；當(dāng)電流為 +5A 時，輸出電壓 3.5V；當(dāng)電流為 -5A 時，輸出為 1.5V。然而，通常 DSP 的 AD 采樣量程是 0 - 3.3V，因此需要對 ACS712 的輸出進行調(diào)理，將其轉(zhuǎn)換為 0 - 3.3V 之間的電壓。
由于 ACS712 輸出帶載能力有限，通常采用一級電壓跟隨來提高帶載能力。之后在后級先用電阻分壓，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。在后級同相比例放大兩倍即為 0 - 3V 之間的電壓值。需要注意的是，由于運放是單電源 5V 供電，因此需要使用軌對軌運放，如 LMV358。

比較及鎖存保護電路的設(shè)計

本設(shè)計的核心是當(dāng)出現(xiàn)過流情況時，能夠自動切斷輸出，并保持切斷狀態(tài)。這就需要對電流信號進行比較和對輸出信號進行鎖存。考慮到正負過流保護值可能不同，同時觸發(fā)器通常有兩路輸入輸出，因此設(shè)計了兩路保護電路，并通過按鍵進行復(fù)位。
設(shè)計中用到了 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)。此處直接用運放當(dāng)作比較器使用，需要注意的是，運放通常是推挽輸出，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，以實現(xiàn) “線與” 功能。
當(dāng)電流小于設(shè)定的過流保護值時，比較器輸出為低電平。一旦出現(xiàn)過流，比較器輸出高電平，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。當(dāng)復(fù)位按鍵被按下時，為低電平有效，輸出端 Q 為低電平，與保護時邏輯相反。
以上控制部分邏輯通過 Multisim 進行了仿真，其中所有的模擬量是通過電阻分壓提供的。
為了方便 DSP/MCU 控制繼電器，設(shè)計了一個電路實現(xiàn)控制信號和兩路過流信號的 “或” 邏輯運算。通過 Multisim 仿真可以看出，只要任意開關(guān)閉合（被置為高電平），輸出就會變?yōu)榈碗娖健?br class="container_c14d4 wrapper_546d2 undefined" style="--tw-border-spacing-x: 0; --tw-border-spacing-y: 0; --tw-translate-x: 0; --tw-translate-y: 0; --tw-rotate: 0; --tw-skew-x: 0; --tw-skew-y: 0; --tw-scale-x: 1; --tw-scale-y: 1; --tw-pan-x: ; --tw-pan-y: ; --tw-pinch-zoom: ; --tw-scroll-snap-strictness: proximity; --tw-gradient-from-position: ; --tw-gradient-via-position: ; --tw-gradient-to-position: ; --tw-ordinal: ; --tw-slashed-zero: ; --tw-numeric-figure: ; --tw-numeric-spacing: ; --tw-numeric-fraction: ; --tw-ring-inset: ; --tw-ring-offset-width: 0px; --tw-ring-offset-color: #fff; --tw-ring-color: rgba(59,130,246,.5); --tw-ring-offset-shadow: 0 0 #0000; --tw-ring-shadow: 0 0 #0000; --tw-shadow: 0 0 #0000; --tw-shadow-colored: 0 0 #0000; --tw-blur: ; --tw-brightness: ; --tw-contrast: ; --tw-grayscale: ; --tw-hue-rotate: ; --tw-invert: ; --tw-saturate: ; --tw-sepia: ; --tw-drop-shadow: ; --tw-backdrop-blur: ; --tw-backdrop-brightness: ; --tw-backdrop-contrast: ; --tw-backdrop-grayscale: ; --tw-backdrop-hue-rotate: ; --tw-backdrop-invert: ; --tw-backdrop-opacity: ; --tw-backdrop-saturate: ; --tw-backdrop-sepia: ; -webkit-font-smoothing: antialiased; box-sizing: border-box; content: " ";="" display:="" block;="" margin:="" 1em;="" text-wrap-mode:="" wrap;"="">

繼電器驅(qū)動及指示部分設(shè)計

由于 74HC74 輸出驅(qū)動能力有限，輸入輸出電流只有 20mA，而繼電器通常要求驅(qū)動能力為 100mA 以上。因此，采用 P 溝道 MOSFET 驅(qū)動繼電器的方法來提高帶載能力。當(dāng) SAFE +、SAFE -、SD 端都為低電平時，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，MOSFET 導(dǎo)通，驅(qū)動繼電器動作。
由于繼電器鐵芯有電感作用，在電路中需要反并聯(lián)二極管進行續(xù)流。當(dāng)關(guān)斷時，二極管導(dǎo)通，提供續(xù)流通道，以保護電路元件不受損壞。