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电子保险丝电路设计


保险丝在很多的电路设计中用于电路的过流保护。当过电流时,保险丝内部温度升高,当温度升高到保险丝的熔点以上时保险丝就发生了熔断。通常情况下过流的电流值不是很准确,熔断保护的时间长。本文利用电流检测和负载控制,设计了一种电子保险丝电路。

一、电路介绍

目前通常的保险丝电路主要设计主要使用熔断保险丝,针对熔断保险丝的响应时间慢和熔断电流不精确的提出了新的解决方法。本文电路功能框图如图 1 所示,主要由主电路和控制电路组成;其中主电路:输入电源依次与电流检测电阻、保护电路和N-MOSFET开关电路连接,最后连接负载。其中控制电路:电流检测电路检测到电流过大控制 N-MOSFET 开关电路断开,电压控制电路检测到输入电压电压过低控制 N-MOSFET 开关电路断开,电源电路给电流检测电路和电压检测电路供电。

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二、电路设计

1、主电路

主电图如图2所示,TVS二极管D1起到浪涌保护作用;续流二极管 D2、D3 防止感性的负载导致 Q1 的漏极电压过高或者过低,起到保护Q1的作用;N-MOSFET Q1用于切断和连接负载的负极;电流检测电阻RSENSE 用于电流检测功能;

2、电流检测电路

电流检测电路如图 3 所示,电流检测电阻 RSENSE 两端的差分电压信号经过电阻 R1、R3 和电容 C3 滤波后分别连接到电路检测芯片 U1 的 1 脚和 2 脚,用电阻 R4 调整电流阀值,电流检测芯片 U1的 5 脚经过电阻 R5、R6 和三极管 Q2、Q3 电平转换后连接到 N-MOSFET Q1 的栅极;电流检测芯片 U1 的型号是德州仪器的 INA300-Q1。

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3、电压控制电路

电压控制电路如图 4 所示,控制电路中的电压检测电路电源连经过R12、R14和C9分压滤波后连接到U4的参考引脚, U4的CATHODE引脚通过R11,R15控制Q5处于导通状态或者截止状态,Q5 的集电极连接到 R7 和 R8,R7 连接到 N-MOSFET Q1的栅极;该电路中U4的型号是德州仪器的TL431;电压控制电路有两个作用,其中一个作用是确保电源电压超过一定阀值时,才给负载供电;另一个作用是当负载瞬间短时,短路的电流大于电源的最大供电电流,因为电源限流电源的供电电压瞬间降低,电压控制电路及时起作用,使N-MOSFET关掉,断开负载;

4、电源电路

电源电路主要由肖特基二极管 D4、DC/DC 降压电路和 LDO降压电路组成。电源经过肖特基二极管D4,经过输入滤波电容C4 和 C5,连接到 DC/DC 降压芯片,再经过续流二极管、功率电感L1和输出滤波电容C6,产生10V的电压VCC_10V;10V电压经过输入滤波电容C7、LDO降压芯片和输出滤波电容C8,产生5V的电压VCC_5V;肖特基二极管D4用于输入电源电压瞬间变低时,电容 C4 的电压不会突变,保持系统正常运行;DC/DC降压芯片型号是XLSEMI公司的XL7005A;LDO降压芯片是EXAR公司的 SPX1117M3-L-5-0。

三、总结

本方案中的电子保险丝电路设计在大功率直流供电系统中进行了大量的运用。针对熔断保险丝的响应时间慢和熔断电流不精确的缺点,提出了一种电子保险丝电路设计。通过电路的设计与实际测试,这种电路设计得到了充分的验证。针对不同的供电电压,选择相应耐压的二极管 D1,D2,D3 和 N-MOS 管Q1。针对不同的负载电流选择相应导通内阻的 Q1 和 RSENSE。

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