在电源及电机控制领域，过流保护功能是保障系统安全稳定运行的关键，而实现这一功能需要对电流进行采样。如果采用单片机进行电流检测和保护，会消耗大量的 CPU 时间。因此，设计一种纯硬件的带自锁功能的过流保护模块具有重要的实际意义，它能够实现过流保护的模块化，便于在不同的电路设计中应用。

电流采样电路的设计

常见的电流采样电路有 “高（压）端电流采样”“低（压）端电流采样” 和 “霍尔传感器采样” 三种，以下是对它们特点的详细分析：

• 高端电流检测：优点是可以检测区分负载是否短路，并且无地电平干扰；缺点是共模电压高，使用非专用分立器件设计时较为复杂，成本高且占用面积大。
• 低端电流检测：优点是共模电压低，能够使用低成本的普通运算放大器；缺点是检测电流电阻的引入会产生地电平干扰，且电流越大，地电位干扰越明显，有时甚至会影响负载正常工作。
• 霍尔传感器采样：优点是对采样信号进行隔离，适合大功率场合；缺点是易受到电磁干扰的影响。

考虑到通用性以及整个系统电流采样保护与控制部分隔离的需求，本设计采用霍尔电流传感器 ACS712 进行电流采样。

转换为 0 - 3V 输出信号调理电路的设计

ACS712 采用单电源 5V 供电，输出具有良好的线性度。从其输出电压与检测电流的关系可以看出，当检测电流为 0A 时，输出 2.5V；当电流为 +5A 时，输出电压 3.5V；当电流为 -5A 时，输出为 1.5V。然而，通常 DSP 的 AD 采样量程是 0 - 3.3V，因此需要对 ACS712 的输出进行调理，将其转换为 0 - 3.3V 之间的电压。
由于 ACS712 输出带载能力有限，通常采用电压跟随来提高带载能力。之后在后级先用电阻分压，再送入同相比较端，同相放大一倍。分压电阻 R2、R3 需要先将 0 - 5V 的电压分为 0 - 1.5V 的电压，因此电阻比为 3:7。在后级同相比例放大两倍即为 0 - 3V 之间的电压值。需要注意的是，由于运放是单电源 5V 供电，因此需要使用轨对轨运放，如 LMV358。

比较及锁存保护电路的设计

本设计的是当出现过流情况时，能够自动切断输出，并保持切断状态。这就需要对电流信号进行比较和对输出信号进行锁存。考虑到正负过流保护值可能不同，同时触发器通常有两路输入输出，因此设计了两路保护电路，并通过按键进行复位。
设计中用到了 D 触发器 74HC74 和电压比较器。74HC74 是一种双 D 型触发器，有设置和重置引脚，正脉冲触发。此处直接用运放当作比较器使用，需要注意的是，运放通常是推挽输出，比较器是集电极开路输出，若换做比较器的话，需要加上拉电阻，以实现 “线与” 功能。
当电流小于设定的过流保护值时，比较器输出为低电平。一旦出现过流，比较器输出高电平，产生上升沿到 74HC74 的 CP 端，数据位的高电平被锁存到输出端 Q，反相输出端输出为低电平。当复位按键被按下时，为低电平有效，输出端 Q 为低电平，与保护时逻辑相反。
以上控制部分逻辑通过 Multisim 进行了仿真，其中所有的模拟量是通过电阻分压提供的。
为了方便 DSP/MCU 控制继电器，设计了一个电路实现控制信号和两路过流信号的 “或” 逻辑运算。通过 Multisim 仿真可以看出，只要任意开关闭合（被置为高电平），输出就会变为低电平。

继电器驱动及指示部分设计

由于 74HC74 输出驱动能力有限，输入输出电流只有 20mA，而继电器通常要求驱动能力为 100mA 以上。因此，采用 P 沟道 MOSFET 驱动继电器的方法来提高带载能力。当 SAFE +、SAFE -、SD 端都为低电平时，DRIVE 端为高电平，Q1 的 GS 端电位为 0，MOSFET 关断；当 DRIVE 端为低电平时，MOSFET 导通，驱动继电器动作。
由于继电器铁芯有电感作用，在电路中需要反并联二极管进行续流。当关断时，二极管导通，提供续流通道，以保护电路元件不受损坏。