实施硬件电流保护

今天，我的文章本质上纯粹是理论性的，或者说，它不会像以前的文章一样具有“铁”的含义，但不要气--它的用途也没有减少。 事实是，保护电子组件的问题直接影响设备的可靠性，其资源，并因此影响您的重要竞争优势- 对产品提供长期保修的能力 。 保护的实现不仅涉及我最喜欢的电力电子设备，而且涉及原则上的任何设备，因此，即使您正在设计IoT工艺，并且电流只有100 mA，您仍然需要了解如何确保设备无故障运行。

电流保护或短路保护（短路）可能是最常见的保护类型，因为从字面上看，对此问题的疏忽会导致毁灭性后果。 例如，我建议看一下电压调节器，它由于出现的短路而变得悲伤：



此处的诊断很简单-稳定器发生错误，电路中开始有超大电流流过，为了很好的保护，应该关闭了设备，但出了点问题。 阅读本文之后，我想您自己可以猜测可能是什么问题。

至于负载本身...如果您有一个火柴盒大小的电子设备，则没有这样的电流，那么不要以为您不会像稳定器那样难过。 当然，您不想以10-1000美元的价格烧掉成捆的筹码吗？ 如果是这样，那么我邀请您熟悉消除短路的原理和方法！

文章目的

我的文章重点关注电子产品的爱好者和初学者，因此一切都会被“指责”，以更有意义地了解正在发生的事情。 对于那些需要学术技能的人，我们去阅读了有关电气工程的任何大学教科书，以及希尔的霍洛维茨的“经典”“电路工程的艺术”。

我想单独说一句，所有解决方案都是硬件，即没有微控制器和其他变态。 近年来，在必要和不必要的地方进行编程已经变得很时髦。 我经常观察到电流对电流的“保护”，这是通过某些arduino或微控制器对ADC电压进行微不足道的测量来实现的，然后设备仍然会发生故障。 我强烈建议您不要这样做！ 我将详细介绍这个问题。

关于短路电流的一些知识

为了开始提出保护方法，您必须首先了解我们正在采取的措施。 什么是短路？ 考虑理想情况，欧姆最喜欢的法律在这里将为我们提供帮助：



简单吗？ 实际上，该电路几乎是所有电子设备的等效电路，也就是说，有一种将其提供给负载的能源，它会加热并做某些事情或不做任何事情。

我们同意，电源的功率允许电压保持恒定，即在任何负载下都不会“下垂”。 在正常工作期间，作用在电路中的电流将等于：

$$

$$I = U / R$$

现在想象一下，瓦西亚叔叔将扳手放到去往灯泡的电线上，我们的负载减少了100倍，即R变为0.01 * R，而通过简单的计算，我们得到的电流增加了100倍。 如果灯泡消耗的电流为5A，那么现在负载中的电流将被带走约500A，这足以熔化Vasya叔叔的钥匙。 现在一个小结论...

短路 -负载电阻显着降低，这导致电路中的电流显着增加。

应该理解的是，短路电流通常是额定电流的数百倍和数千倍，并且即使是很短的时间也足以使设备出现故障。 在这里，许多人可能会想起机电保护设备（“自动设备”等），但是一切都很平淡。通常，家用插座受一台额定电流为16A的机器保护，也就是说，当电流为6-7倍时，就会关闭，该电流已经约为100A。 便携式计算机电源的功率约为100瓦，即电流小于1A。 即使发生短路，机器也不会在很长一段时间内注意到这一点，并且仅在一切都已燃烧时才会断开负载。 它更多是一种防火保护，而不是技术保护。

现在，让我们看一下另一个常见的情况-current 。 我将在具有拓扑同步降压的dc / dc转换器的示例中演示它，板上的所有MPPT控制器，许多LED驱动器和功能强大的DC / DC转换器都完全建立在其上。 我们看一下转换器电路：



该图显示了过电流的两种选择：“经典”故障的绿色路径 ，当负载电阻减小时（例如，焊接后的道路之间的“喷嘴”）， 橙色路径 。 电流何时才能沿着橙色路径流动？ 我想很多人都知道场效应晶体管的开路电阻很小，对于现代的低压晶体管，它的电阻为1-10 mOhm。 现在，假设高电平的PWM同时出现在按键上，也就是说，两个按键都已打开，对于“ VCCIN-GND”源来说，这等效于连接电阻约为2-20 mOhm的负载！ 我们应用强大的欧姆定律，即使使用5V电源，也可获得超过250A的电流值！ 尽管不必担心，但不会有这样的电流-印刷电路板上的组件和导体会更早燃烧并断开电路。

此错误通常发生在电力系统中，尤其是在电力电子设备中。 它可能由于各种原因而发生，例如由于控制错误或长时间的瞬变。 在后一种情况下，即使转换器中的“死时间”（deadtime）也不会保存。

我认为这个问题对于许多人来说是可以理解和熟悉的，现在很清楚您需要解决的问题，而仍然只是想知道如何。 这将是进一步的故事。

电流保护如何工作

在这里，您需要应用通常的逻辑并查看因果关系：
1）主要问题是电路中的电流值大；
2）如何理解电流值？ ->测量它；
3）测量并获得值->将其与给定的有效值进行比较；
4）如果超过该值->断开负载与当前电源的连接。

测量电流->确定是否超过允许的电流->断开负载

绝对可以通过这种方式构建任何保护，而不仅仅是过电流保护。 根据构建防御的物理量，在实施的过程中会出现各种技术问题和解决方法，但本质没有改变。

现在，我提议，为了遍及整个防御链，解决所有出现的技术问题。 良好的保护是预先提供的保护，它可以起作用。 因此，我们离不开建模，我将使用由Mouser积极推广的流行且免费的MultiSIM Blue 。 您可以在此处下载它- 链接 。 我还要提前说，在本文的框架中，在此阶段，我不会涉及电路和不必要的东西，只是要知道在实际硬件中一切都会有些复杂。

电流量测

这是我们链中的第一项，可能是最容易理解的。 您可以通过多种方式测量电路中的电流，每种方式都有其自身的优缺点，具体取决于您的任务是哪种。 我将根据我的经验告诉您这些相同的优点和缺点。 其中有些是“普遍接受的”，有些是我的世界观，我请您注意，我什至不试图主张某种真理。

1） 分流器 。 在“奥姆”伟大而强大的法则的基础上，“工作”都是如此。 最简单，最便宜，最快并且通常是大多数方式，但是有很多缺点：

a） 缺乏电隔离 。 您将必须单独实现它，例如，使用高速光耦合器。 实施起来并不难，但是需要板上额外的空间，去耦的dc / dc以及其他成本高昂并增加整体尺寸的组件。 当然，尽管不一定总是需要电流隔离。

b） 在高电流下会加速全球变暖 。 正如我之前所写，一切都遵循欧姆定律，这意味着它正在变暖和变暖。 这导致效率降低以及需要冷却分流器。 有一种方法可以最小化此缺点-降低分流电阻。 不幸的是，它不能无限减小，通常，如果您还没有经验， 我不建议将其减小到1 mOhm以下 ，因为需要消除干扰，并且对PCB设计阶段的要求也在增加。

在我的设备中，我喜欢使用以下分流器PA2512FKF7W0R002E：



电流是通过测量分流器两端的电压降来测量的，例如，当电流30A流过分流器时，会有一个压降：

$$

$$U_ {pad} = I * R = 0.002欧姆* 30A = 0.06V = 60 mV$$

也就是说，当我们在分流器上得到60 mV的压降-这意味着我们已经达到极限，如果压降进一步增加，则有必要断开设备或负载的连接。 现在，让我们计算一下分流器将释放多少热量：

$$

$$P_ {shunt} = I ^ 2 * R_ {shunt} = 30 ^ 2 * 0.002 = 1.8 [W]$$

一点点吧？ 必须考虑这一点，因为 我的分流器的最大功率是2瓦，不能超过它，只是不要用易熔的焊料焊接分流器-也许它已经腐烂了，我也看到了。

使用建议：

• 电压高而电流不高时请使用分流器
• 跟踪分流器产生的热量
• 在需要最大性能的地方使用分流器
• 仅使用特殊材料的分流器：康斯坦丁，锰和类似材料

2） 霍尔效应电流传感器 。 在这里，我将承认自己的分类，该分类充分反映了针对此效果的各种决定的实质，即： 便宜和昂贵 。

a）价格便宜 ，例如ACS712等。 在这些优点中，我可以注意到易于使用和电隔离的存在，这就是优点的终点。 主要缺点是在射频干扰的影响下行为极不稳定。 任何dc / dc或强大的无功负载都是一个障碍，也就是说，在90％的情况下，这些传感器是无用的，因为它们“发疯了”，而是显示火星上的天气。 但是，它们不是一无所有吗？

它们是否具有电流隔离功能并且可以测量大电流？ 是的 不喜欢干扰？ 也可以 放在哪里？ 是的，在低责任的监视系统中，用于测量电池的电流消耗。 我将它们放在SES和VES的逆变器中，以对电池的电流消耗进行定性评估，从而可以延长电池寿命。 这些传感器如下所示：


b） 亲爱的 。 它们具有便宜的所有优点，但没有缺点。 这种LEM LTS 15-NP传感器的示例：


结果是：
1）高性能；
2）电隔离；
3）易于使用；
4）不论电压大小，测得的大电流；
5）测量精度高；
6）即使“邪恶”的EMP也不会干扰工作，也不会干扰工作； 影响准确性。

但是，负号是多少？ 那些打开上面链接的人清楚地看到了-这就是价格。 18美元，卡尔！ 即使是一系列超过1000件的产品，价格也不会低于10美元，实际购买价格为12-13美元。 在BP中要花几美元，这笔钱不行，但是我想... 总结一下：

a）原则上，这是测量电流的最佳解决方案，但价格昂贵；
b）在恶劣的工作条件下使用这些传感器；
c）在关键节点上使用这些传感器；
d）如果您的设备要花很多钱，请使用它们，例如5-10 kW UPS，它肯定会证明自己，因为设备的价格为几千美元。

3） 电流互感器 。 许多设备的标准解决方案。 两个缺点-不适用于直流电，并且具有非线性特性。 优点-便宜，可靠，您只能测量大电流。 正是在电流互感器上，企业的自动化和保护系统才以RU-0.4、6、10、35 kV的电压构建，而数千安培的电流在那很正常。

老实说，我不尝试使用它们，因为我不喜欢它们，但是我仍然将它们放在各种控制柜和其他交流系统中，因为 它们花费了几美元，并且实现了电流隔离，而不是像LEM那样花费15至20美元，并且可以在50 Hz的网络中完美执行任务。 通常，它们看起来像这样，但是它们发生在各种EFD内核上：



也许使用测量电流的方法就可以完成。 我说的是主要的，但不是全部。 为了扩大自己的视野和知识，我建议您至少使用google并在同一数字键盘上查看各种传感器。

测得的压降增益

保护系统的进一步构建将基于分流器作为电流传感器。 让我们构建一个具有先前宣布的30A电流值的系统。 在分流器上，我们得到了60 mV的压降，这里出现了两个技术问题：

a）测量和比较幅度为60 mV的信号很不方便。 ADC通常具有3.3V的测量范围，也就是说，具有12位的位深度，我们得到了量化步骤：

$$

$$U_ {quantum} = V_ {ref} / 2 ^ {12} = 3.3 / 4095 = 0,0008 [V] = 0.8 [mV]$$

这意味着在0-60 mV的范围内（对应于0-30A），我们获得了很少的步骤：

$$

$$n = U_ {分流} / U_ {量子} = 60 / 0.8 = 75 [steps]$$

我们得到的测量位仅为：

$$

$$k = I_ {max} / n = 30/75 = 0.4 [A / step]$$

应该理解，这是一个理想的数字，实际上它们会更糟，因为 ADC本身有一个误差，尤其是在零附近。 当然，我们不会使用ADC进行保护，但必须测量来自同一分流器的电流才能构建控制系统。 这里的任务已经清楚地说明了，但是对于比较器也是如此，比较器在地电势区域（通常为0V）非常不稳定，甚至是轨到轨。

b）如果我们要在板上拖动幅度为60 mV的信号，则在5-10 cm之后，由于干扰将没有任何余留，并且在短路时，我们绝对不必依靠它，因为 EMR将进一步增加。 当然，您可以将保护方案挂在旁路上，但是我们不会摆脱第一个问题。

为了解决这些问题，我们需要一个运算放大器（运放）。 我不会谈论它的工作原理-这个主题完全是google，但是我们将讨论关键参数和运算放大器的选择。 首先，让我们决定方案。 我说过这里不会有特殊的宽限期，因此我们将以负反馈（OOS）覆盖运算放大器，并获得一个增益已知的放大器。 我将在MultiSIM中模拟此操作（图片可点击）：



您可以在此处下载用于仿真的文件。

电压源V2充当我们的分流器，或更确切地说，它模拟了其两端的电压降。 为了清楚起见，我选择了一个100 mV的压降值，现在我们需要放大信号，以便将其传输到更方便的电压，通常在1/2至2/3 V _ref之间 。 这将使您能够在当前范围内获得大量的量化步长，并为测量留出余量，以便评估所有情况的严重程度并计算电流的上升时间，这在复杂的无功负载控制系统中非常重要。 在这种情况下，增益等于：

$$

$$U_ {out} = U_ {in} *（1+ \ frac {R2} {R1}）= 0.1 *（1 + \ frac {9} {1}）= 0.1 * 10 = 1 [B]$$

因此，我们能够将信号中的信号放大到所需水平。 现在，我们将考虑哪些参数值得关注：

• 运算放大器必须是轨到轨的，以便在接近地电位（GND）的信号下正常工作
• 值得选择具有高压摆率的运算放大器。 对于我心爱的OPA376，此参数为2V /μs，这使我能够在2μs内实现VCC 3.3V的最大运算放大器输出值。 该速度足以节省任何转换器或负载，频率最高可达200​​ kHz。 这些参数应该理解，并在选择运算放大器时包括头部，否则就有机会以10美元的价格放置一个运算放大器，而以1美元的放大器就足够了
• 运算放大器选择的带宽应至少比最大负载开关频率大10倍。 再次，在“价格/性能特征”比率中寻找“黄金均值”，一切都适度

在我的大多数项目中，我使用德州仪器（Texas Instruments）运算放大器-OPA376，其TTX足以在大多数任务中实施保护，而1美元的价格也相当不错。 如果您需要更便宜的产品，请查看ST的解决方案；如果更便宜，请查看Microchip和Micrel。 出于宗教原因，我只使用TI和Linear，因为我喜欢它并且睡得很镇定。

为安全系统增添真实感。

现在让我们在模拟器中添加分流器，负载，电源和其他属性，这些属性将使我们的模型更接近实际。 获得的结果如下（图片可点击）：



您可以在此处下载MultiSIM的仿真文件。

在这里，我们已经看到分流器R1的电阻相同，为2 mOhm，我选择了310 V电源（整流网络），并且其负载是10.2 Ohm电阻器，根据欧姆定律，该电阻器再次为我们提供了电流：

$$

$$I = U / R = 310 / 10.2 = 30.39 [A]$$

如您所见，在分流器上，先前计算出的60 mV下降，我们用增益放大它们：

$$

$$k = 1+ \ frac {R2} {R7} = 1 + \ frac {45300} {910} = $ 50.7$$

在输出端，我们得到了幅度为3.1V的放大信号。您必须承认，它已经可以提交给ADC和比较器，并沿着20-40 mm的板子拖动，而不必担心或破坏工作的稳定性。我们将继续处理此信号。

使用比较器比较信号

比较器是一种在输入端接收2个信号的电路，如果直接输入端（+）的信号幅度大于反向信号（-）的信号幅度，则对数出现在输出端。1（VCC）。否则，记录日志。0（GND）。

从形式上讲，任何操作系统都可以包含在比较器中，但是这样的TTX解决方案在速度和价格/结果比率方面将不如比较器。在我们的情况下，速度越高，保护将有更多的时间解决并保存设备的可能性就越大。我喜欢使用比较器，同样来自Texas Instrumets- LMV7271。您要注意的是：

• , . 880 , 2$
• — rail-to-rail , 5, . , - rail-to-rail . (SD) TTL
• push-pull, open-drain .

现在，让我们在模拟器中的项目中添加一个比较器，并在保护不起作用且电流未超过紧急情况的情况下查看其在该模式下的操作（可单击图片）：您可以在此处下载要在MultiSIM中进行仿真的文件。我们需要什么...如果电流超过30A，则需要这样做，以便比较器的输出上有一个对数。 0（GND），此信号将馈入驱动器SD或EN输入并将其关闭。在正常状态下，输出应为日志。 1（5V TTL）并启用电源键驱动器的操作（例如，“民间” IR2110及以下版本）。我们回到逻辑上： 1）我们测量了分流器的电流并接收到56.4 mV；2）我们以50.78的系数放大信号，并在输出端收到OU 2.88V；










3）在比较器的直接输入端，我们提供一个参考信号，我们将与之进行比较。我们使用R2上的分压器对其进行设置，并设置3.1V-这对应于约30A的电流。使用该电阻器可以调节保护阈值！
4）现在，来自运放输出的信号被施加到反相信号，我们比较两个信号：3.1V> 2.88V。在直接输入（+）处，电压高于反向输入（-）处的电压，因此不会超过电流，并且输出为log。 1-驱动程序工作，但我们的LED1不亮。

现在将电流增加到> 30A（转动R8并减小电阻）的值，然后看一下结果（可点击图片）：让我们从“逻辑”中修改点：1）在分流器上测量电流，得到68.9 mV；2）我们以50.78的系数放大了信号，并收到OA 3.4V输出；






4）现在，来自运算放大器输出的信号被施加到反相信号，我们比较两个信号：3.1V <3.4V。在直接输入（+）处，电压低于反向输入（-）处的电压，然后超过电流，并且输出为log。0-驱动程序不起作用，并且我们的LED1点亮。

为什么要硬件？

这个问题的答案很简单-MK上任何带有外部ADC等的可编程解决方案都可以简单地“挂起”，即使您是一个相当称职的软件编写者，并且打开了看门狗定时器和其他防冻结保护，在处理过程中，设备也将烧坏。

硬件保护使您可以在几微秒内实现系统速度，如果预算允许，则可以在100-200 ns之内完成，这足以完成任何任务。同样，即使出于某种原因，控制微控制器或DSP“冻结”，硬件保护也将无法“冻结”并保存设备。保护将禁用驱动程序，您的控制电路将从容重启，测试硬件并给出错误消息（例如，Modbus），或者如果一切正常，它将启动。

值得注意的是，在用于建筑电源转换器的专用控制器中，有一些特殊输入，允许您通过硬件禁用PWM信号的生成。例如，每个人最喜欢的STM32都有一个BKIN输入。

另外，值得一提的是有关CPLD之类的事情。实际上，它是一组高速逻辑，其可靠性可与硬件解决方案媲美。如果我们在谈论dc / dc或某种控制柜，则在板上放置一个小型CPLD并在其中实现硬件保护，死区时间和其他乐趣是常识。 CPLD使您可以使此解决方案非常灵活和方便。

结语

仅此而已。希望您对阅读本文感兴趣，它可以为您提供一些新知识或使您重拾旧知识。始终要事先考虑一下设备中的哪些模块应该以硬件实现，哪些应该以软件实现。通常，硬件实现比软件实现要简单几个数量级，这可以节省开发时间，并因此节省成本。

不带硬件的文章格式对我来说是新的，我请您在调查中表达您的意见。