在电子设计领域，保护电路的重要性不言而喻，它是保障电子设备稳定运行的关键因素之一。像过电压保护、短路保护、反极性保护等保护电路，都是电子系统中不可或缺的部分。其中，过流保护在电源电路中尤为关键，其作用是限制电源供应单元（PSU）的输出电流。所谓 “过流”，指的是负载吸收的电流超过了电源单元规定的能力，这种情况极具危险性，因为过流可能会对电源造成损坏。因此，工程师通常会采用过流保护电路，在出现此类故障时将负载与电源切断，从而保护负载和电源。过流保护电路种类繁多，电路的复杂程度取决于其在过流情况下的反应速度。本文将详细介绍如何使用常用的运算放大器构建一个简单的过流保护电路。
1. 运算放大器 LM358
本次设计的电路具备可调节的过流阈值，同时还拥有故障自动重启功能。由于这是一个基于运算放大器的过流保护电路，因此选择了通用运算放大器 LM358 作为驱动单元。如图 1 所示为 LM358 的引脚图。
从图中可以看到，在单个 IC 封装内包含两个运算放大器通道，但本设计仅使用其中一个通道。运算放大器将通过 MOSFET 来切换（断开）输出负载，这里选用了 N 沟道 MOSFET IRF540N。若负载电流大于 500mA，建议使用合适的 MOSFET 散热器。不过，在本设计中使用 MOSFET 时未配备散热器。图 2 为 IRF540N 引脚图。
为了给运算放大器和电路供电，选用了 LM7809 线性稳压器。它是一款具有宽输入电压额定值的 9V 1A 线性稳压器，其引脚排图如图 3 所示。
2. 设计所需材料
以下是过流保护电路所需的组件列表：
① 面包板；
② 电源 12V（）或根据电压要求；
③ LM358；
④ 100uF 25V 电容；
⑤ IRF540N；
⑥ 散热器（根据应用要求）；
⑦ 50k 修剪锅；
⑧ 具有 1% 容差的 1k 电阻器；
⑨ 1Meg 电阻；
⑩ 具有 1% 容差的 100k 电阻器；
1ohms 电阻，2W（2W 1.25A 负载电流）；
面包板用电线。
3. 过流保护电路设计
通过使用运算放大器感测过电流，并根据结果驱动 Mosfet 断开 / 连接负载与电源，即可设计出一个简单的过流保护电路。其电路图如图 4 所示。
从图 4 可知，MOSFET IRF540N 用于在正常和过载条件下控制负载的开启或关闭。在关闭负载之前，需要先检测负载电流，这是通过使用分流电阻器 R1 来实现的。R1 是一个 1 欧姆分流电阻器，额定功率为 2 瓦，这种测量电流的方法称为分流电阻电流检测。
在 MOSFET 导通状态下，负载电流从 MOSFET 的漏极流至源极，通过分流电阻流至 GND。根据负载电流，分流电阻会产生一个电压降，可使用欧姆定律计算该电压降。例如，对于 1A 的电流（负载电流），分流电阻器上的压降为 1V（因为 V = I x R，即 V = 1A x 1 欧姆）。因此，将此压降与使用运算放大器的预定义电压进行比较，就可以检测过流并改变 MOSFET 的状态以切断负载。
运算放大器通常用于执行加、减、乘等数学运算，在本电路中，运算放大器 LM358 被配置为比较器。根据原理图，比较器比较两个值：一个是分流电阻器两端的压降，另一个是使用可变电阻器或电位计 RV1 的预定义电压（参考电压），RV1 充当分压器。分流电阻器上的压降由比较器的反相端检测，并将其与连接在运算放大器同相端的参考电压进行比较。
若检测到的电压小于参考电压，比较器将在输出端产生一个接近比较器 VCC 的正电压；若感测电压大于参考电压，比较器将在输出两端产生负电源电压（负电源连接到 GND，因此在这种情况下为 0V），该电压足以打开或关闭 MOSFET。
4. 处理瞬态响应 / 稳定性问题
当高负载与电源断开时，瞬态变化会在比较器上形成一个线性区域，从而形成一个环路，在该环路中，比较器无法正确打开或关闭负载，运算放大器将变得不稳定。例如，假设使用电位计设置 1A 以触发 MOSFET 进入关断状态，可变电阻器设置为 1V 输出。在某些情况下，当比较器检测到分流电阻上的压降为 1.01V（该电压取决于运算放大器或比较器的精度和其他因素）时，比较器将断开负载。瞬态变化通常在高负载突然与电源单元断开时发生，这种瞬态会增加参考电压，导致比较器两端的结果不佳，并迫使其在线性区域内工作。
克服此问题的方法是在比较器两端使用稳定的电源，确保瞬态变化不会影响比较器的输入电压和电压参考。此外，还需要在比较器中添加额外的滞后方法。在本电路中，这是通过线性稳压器 LM7809 和使用迟滞电阻器 R4（一个 100k 电阻器）来完成的。LM7809 在比较器两端提供适当的电压，使电源线上的瞬态变化不会影响比较器，C1（100uF 电容）用于过滤输出电压。
迟滞电阻器 R4 将一小部分输入馈入运算放大器的输出端，这会在低阈值（0.99V）和高阈值（1.01V）之间产生电压间隙，比较器会在此处改变其输出状态。如果达到阈值点，比较器不会立即改变状态，而是将状态从高变为低时，感测电压电平需要低于低阈值（例如 0.97V 而不是 0.99V）；要将状态从低变为高，感测电压需要高于高阈值（1.03 而不是 1.01）。这将增加比较器的稳定性并减少误跳闸。除了该电阻外，R2 和 R3 用于控制栅极，R3 是 MOSFET 的栅极下拉电阻。
5. 过流保护电路测试
本电路搭建在面包板上，并使用台式电源和可变直流负载进行测试。
通过测试电路，观察到输出在可变电阻器设置的不同值下成功断开。
6. 过流保护设计技巧
① 输出端的 RC 缓冲电路可以改善电磁干扰（EMI），减少电路中的高频噪声，提高电路的抗干扰能力。
② 根据所需的应用场景，可以选用更大的散热器和特定的 MOSFET，以满足不同的功率和散热要求。
③ 结构良好的 PCB 设计能够提高电路的稳定性，减少信号干扰和电磁辐射。
④ 需要根据负载电流，依据幂律（P = I?R）调整分流电阻器瓦数，确保电阻器能够承受相应的功率。
⑤ 毫欧额定值的极低值电阻器可用于小型封装，但压降会更小。为了补偿压降，可以使用具有适当增益的附加放大器，提高测量的精度。
⑥ 建议使用专用电流检测放大器来解决准确的电流检测相关问题，提高检测的准确性和可靠性。
