在電源及電機(jī)控制中常用到過流保護(hù)功能,這需要對(duì)電流進(jìn)行采樣。
同時(shí),如果用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)檢測電流進(jìn)行保護(hù)的話需要消耗大量CPU時(shí)間,因此我用硬件電路設(shè)計(jì)了一種帶自鎖功能的過流保護(hù)模塊,這對(duì)于過流保護(hù)可以實(shí)現(xiàn)模塊化,方便使用。
該模塊采用ACS712霍爾傳感器采集電流,可將正負(fù)過流保護(hù)值可以分開來設(shè)定,將輸出轉(zhuǎn)為0-3.3V的電壓,方便DSP采樣,最后繪制了PCB,制作了出來。
01電流采樣電路的設(shè)計(jì)
采樣電路的比較
電流采樣電路通常有“高(壓)端電流采樣”和“低(壓)端電流采樣”和“霍爾傳感器采樣”三種采樣電路,如下圖所示,給出高端和低端兩種采樣電流形式。
低端電流采樣
高端電流采樣
1
高端電流檢測具有如下特點(diǎn):
優(yōu)點(diǎn):可以檢測區(qū)分負(fù)載是否短路、無地電平干擾
缺點(diǎn):共模電壓高,使用非專用分立器件設(shè)計(jì)較復(fù)雜、成本高、面積大
2
低端電流檢測具有如下特點(diǎn):
優(yōu)點(diǎn):共模電壓低,可以使用低成本的普通運(yùn)算放大器
缺點(diǎn):檢測電流電阻的引入地電平干擾,電流越大地電位干擾越明顯,有時(shí)至?xí)绊懾?fù)載
3
霍爾傳感器采樣具有如下特點(diǎn):
優(yōu)點(diǎn):對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行隔離,適合大功率場合
缺點(diǎn):易受到電磁干擾的作用
本設(shè)計(jì)考慮到通用型,同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)電流采樣保護(hù)都與控制部分隔離的情況,采用霍爾電流傳感器ACS712進(jìn)行電流采樣。
02轉(zhuǎn)換為0-3v輸出信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)
ACS712采用單電源5V供電,輸出具有很好的線性度,如下圖所示。
ACS712輸出電壓與檢測的電流關(guān)系
可以看出,當(dāng)檢測電流為0A時(shí),輸出2.5V,當(dāng)電流為+5A時(shí)輸出電壓3.5V,當(dāng)電流為-5V時(shí)輸出為1.5V,具有很高的線性度。但是通常DSP的AD采樣量程時(shí)0-3.3V的,這就需要運(yùn)行進(jìn)行調(diào)理,轉(zhuǎn)換為0-3.3V之間的電壓。
(注意:由于運(yùn)放是單電源5V供電,因此需要用軌對(duì)軌運(yùn)放,如LMV358。)
由于ACS712輸出帶載能力有限,通常采用一級(jí)電壓跟隨提高帶載能力。之后在后級(jí)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(jí)同相比例放大兩倍即為0-3V之間的電壓值。電路如下圖所示:
輸出調(diào)理電路
調(diào)理電路仿真
03比較及鎖存保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于當(dāng)出現(xiàn)過流后能自動(dòng)切斷輸出,并保持切斷的狀態(tài)。這就需要對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行比較和對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行鎖存。
本設(shè)計(jì)考慮到正負(fù)過流保護(hù)值可能不同,同時(shí)觸發(fā)器通常有兩路輸入輸出,因此設(shè)計(jì)了兩路保護(hù)電路,通過按鍵進(jìn)行復(fù)位。
鎖存及復(fù)位電路的設(shè)計(jì)
下圖為比較和鎖存部分電路,用到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(yùn)放當(dāng)作比較器用,需要注意的是運(yùn)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,可以實(shí)現(xiàn)“線與”。
比較和鎖存電路圖
74HC74的控制邏輯如下表所示,本次設(shè)計(jì)用到的小表中黃色強(qiáng)調(diào)部分的邏輯。當(dāng)電流小于設(shè)定的過流保護(hù)值時(shí),比較器輸出為低電平。
一旦出現(xiàn)過流,比較器輸出高,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。
74HC74邏輯圖
當(dāng)復(fù)位按鍵被按下時(shí), 為低電平有效,表現(xiàn)為表中綠色部分邏輯,輸出端Q為低電平,與保護(hù)時(shí)邏輯反相。
以上控制部分邏輯通過Multisim進(jìn)行了仿真,其中所有的模擬量給的是通過電阻分壓給的,仿真電路如下:其中R1為模擬ACS712的輸出,R4為負(fù)過流保護(hù)設(shè)定值,R5為正過流保護(hù)設(shè)定值。
控制部分邏輯仿真電路圖
外部控制信號(hào)輸入
為了方便DSP/MCU控制繼電器,如下電路實(shí)現(xiàn)了控制信號(hào)和兩路過流信號(hào)的“或”邏輯運(yùn)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),輸出變?yōu)榈碗娖健?/p>
圖4-5 外部控制端邏輯圖及Multisim仿真
04繼電器驅(qū)動(dòng)及指示部分設(shè)計(jì)
下圖為P溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)繼電器電路圖,由于74HC74輸出驅(qū)動(dòng)能力有限,輸入輸出電流只有20mA,而繼電器通常要求驅(qū)動(dòng)能力為100mA以上。
因此可以通過如下驅(qū)動(dòng)P溝道Mosfet的方法提高帶載能力:當(dāng)SAFE+、SAFE、-SD端都為低電平時(shí),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(shí),MOSFET導(dǎo)通,驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作。
繼電器及驅(qū)動(dòng)電路圖
由于繼電器鐵芯有電感作用,因此在需要反并聯(lián)二極管續(xù)流。當(dāng)關(guān)斷時(shí),二極管導(dǎo)通,提供續(xù)流通道。
狀態(tài)指示部分電路圖
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原文標(biāo)題:純硬件過流保護(hù)電路
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