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    【經典電路】限流保護電路圖文分析-KIA MOS管

    信息來源:本站 日期:2022-04-07 

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    【經典電路】限流保護電路圖文分析-KIA MOS管


    下圖是一個經典的限流保護電路,本文分析一下其工作原理和限流保護機制。


    限流保護電路

    圖 1 經典限流保護電路


    限流保護電路工作原理

    Q1 和 Q2 構成互鎖電路,即 Q1 導通時 Q2 截止,Q2 導通時 Q1 截止。


    在上電之后,這兩個晶體管的導通順序由 C1-R2-R3,C2-R1 決定。即在上電之后,由于電容兩端電壓不能突變,Q1 的基極電壓將由電容 C1 負極電壓 VCC 經過 R2,R3 逐漸減小至 0V;而 Q2 的基極電壓將由 C2 負極電壓 VCC 經過 R1 逐漸減小至 0V。


    通過計算可以得知,Q1 的基極電壓為 0 時,需要 20ms 的時間,而 Q2 的基極電壓為 0 時,只需要 3ms 的時間,也就是說 Q2 的基極電壓的下降速度是 Q1 的 7 倍。因此,Q2 將先于 Q1 導通,Q2 導通之后,Q1 截止。


    限流保護電路

    圖 2 Q1 和 Q2 基極電壓的變化時間


    另外,該限流保護電路在限流保護狀態下不能恢復,雖然 Q1 處于導通狀態,輸出電壓也為 VCC,但是由于 R2 串聯其中,所以驅動能力非常小,如果能讓電路恢復,可增加 R4。


    圖 1 中的三極管可以換為 P 溝道 MOSFET IRLML5203,圖 3 是示波器抓取的限流電路工作波形,C1 是 Q1 的基極電壓,C2 是 Q2 的基極電壓,C3 是輸出電壓,C4 是電源電壓 VCC=12V。


    限流保護電路

    圖 3 限流電路啟動時的波形


    根據上圖可以看出,在上電之后,Q1 和 Q2 的基極電壓瞬間達到電源電壓,隨后 Q1 和 Q2 的基極電壓均下降,只是 Q2 的基極電壓下降的較快,大約在 300us 的時間,Q2 導通,輸出端開始有電壓,隨后 Q2 基極電壓繼續下降,直至電壓為 0V,在此期間 Q1 基極電壓被拉高。


    限流保護電路的保護機制

    下圖是輸出對地短路情況時電源上電的波形圖:


    限流保護電路

    圖 4 限流保護電路的保護機制波形


    當輸出對地短路時,上電之后,仍是 Q2 先導通,隨后電源對地短路,電源電壓急劇下降并反彈(電源電壓急劇下降過程中,Q1、Q2 和電源電壓的下降速度為 Q2>Q1>電源電壓,說明電容 C1 和 C2 還在持續放電)。


    電源電壓反彈之后,Q1 和 Q2 的基極電壓均再次下降,Q2 的下降速度仍快于 Q1,直至 Q1 導通,Q2 截止,電源電壓恢復正常,Q1 和 Q2 的基極電壓也由 C1 和 C2 充電恢復正常,最后,Q1 的基極電壓降至 0V,Q2 的基極電壓升高至 VCC。


    不同電源電壓的保護特性

    下面將電源電壓設置為 3.3V,測試限流保護電路的工作情況和保護機制:


    限流保護電路


    不同 P 溝道 MOSFET 的保護特性

    下面將 P 溝道 MOSFET 換為驅動能力更小的 BSS84PW,電源電壓 VCC=12V,測試限流保護電路的工作情況和保護機制:


    限流保護電路


    在工作中輸出對其他電源短路情況下限流保護電路的保護機制

    在電源電壓 VCC=12V 與一個小的電源電壓(3.3V 或者 5V)短路,測試限流保護電路的保護機制。


    限流保護電路

    圖 10 輸出與 3.3V 電源短路


    這種情況下,Q1 處于截止狀態,Q2 一直處于導通狀態,輸出 12V 電壓,也就是說 12V 電壓將 3.3V 的電壓拉高了。


    限流保護電路的器件選型

    根據上述分析的限流保護電路的工作原理可以得出:

    1. P 溝道 MOSFET 或者 PNP 三級管的驅動能力要大于負載的工作電流,小于被保護電源芯片的輸出電流;


    2. 阻容的選擇要保證 Q2 的導通時間小于 Q1 的導通時間,總體的切換時間要合適,減小該限流保護電路的響應時間。


    3. 如果要同時保護對地短路和對小電源電壓保護的情況,可以在輸出端串接一個二極管,二極管對電源造成的壓降要滿足負載的要求。



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