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在實際應(yīng)用中，許多負載（尤其是感性負載）在啟動或工作狀態(tài)切換時，會產(chǎn)生遠超額定值的瞬時大電流。例如，在驅(qū)動電梯、地鐵屏蔽門等設(shè)備時，開關(guān)門瞬間的驅(qū)動電流極大，容易引發(fā)過載。對于這類應(yīng)用，保護電路不能簡單地“一刀切”，而是需要能夠承受這種短時過（如1秒左右）而不立即中斷，以保障系統(tǒng)的正常運行和可靠性。

目前，電力電子設(shè)備中常用的過流保護方式包括過流后立即保護、逐波限流、過載限流及短路保護等。然而，這些傳統(tǒng)方法難以完全滿足上述對感性負載的特定需求，即允許在一定時間內(nèi)過載運行，同時要求保護電路具備快速的動態(tài)響應(yīng)和高可靠性。本文將對此進行深入分析。

常用的限流保護電路

電阻初級限流電路

電阻初級限流是一種常見的自恢復(fù)型過流保護方式，其過電流保護點通常設(shè)定在額定電流的110%至130%之間。

如下圖所示，這是一個基于控制芯片UC3845的典型過流保護電路，常用于反激或正激式開關(guān)電源中。其核心思想是通過檢測變換器初級側(cè)的電流，利用控制IC來調(diào)節(jié)PWM驅(qū)動信號的占空比，從而實現(xiàn)限流。

常用的過流保護電路

在該電路中，各關(guān)鍵引腳的功能如下：

引腳7 (VDD)：為UC3845提供啟動和工作電壓。

引腳2 (VFB)：誤差放大器的反相輸入端，用于接收反饋電壓信號。此引腳電壓越高，輸出的驅(qū)動脈沖占空比則越小，從而穩(wěn)定輸出電壓。

引腳4 (RT/CT) 和引腳8 (VREF)：外接的R54和C41共同決定了內(nèi)部振蕩器的工作頻率，最高可達500kHz。

引腳6 (OUT)：輸出PWM驅(qū)動方波信號，經(jīng)過R8和R9分壓后，驅(qū)動MOSFET功率管。

引腳3 (CS)：電流檢測端，通過采樣電阻（圖中為R31）檢測初級電流。當該引腳電壓達到內(nèi)部閾值時，PWM輸出將被關(guān)閉，實現(xiàn)逐周期限流。

當時，變壓器一次側(cè)繞組的能量被傳遞至二次側(cè)，經(jīng)過整流濾波后，為負載提供穩(wěn)定的直流電壓。

逐波限流電路

逐波限流（Pulse-by-Pulse Current Limiting）電路主要應(yīng)用于高頻大功率開關(guān)電源中，作為一種快速的過載保護方案。

該電路通常采用高速比較器直接監(jiān)測開關(guān)管的電流。這種設(shè)計簡化了檢測環(huán)節(jié)，顯著提升了響應(yīng)速度，從而有效縮短了從檢測到過流到執(zhí)行保護動作的時間。電路前級的RC濾波網(wǎng)絡(luò)雖然會對限流速度產(chǎn)生一定影響，但它能有效抑制噪聲干擾，避免因誤觸發(fā)而導(dǎo)致系統(tǒng)異常關(guān)斷。

其工作機制為：當電路檢測到開關(guān)管電流超過設(shè)定閾值時，會立即封鎖該周期的驅(qū)動脈沖；過流信號消失后，驅(qū)動脈沖的封鎖狀態(tài)會一直保持，直到下一個驅(qū)動周期到來時再解除。這種方式不僅能對開關(guān)管的過載提供及時有效的保護，還避免了在單個開關(guān)周期內(nèi)因振蕩而引起的多次開關(guān)動作，減少了不必要的損耗和潛在的器件損傷。通常，在輸出電流達到額定值的3.75至4.2倍時，該電路會實現(xiàn)精確的逐波限流。

逐波限流電路示意圖

一種支持短時過載的精密限流電路

上述兩種限流保護電路雖然能起到保護作用，但無法滿足某些感性負載允許短時過載的需求。下面將介紹一種能夠?qū)崿F(xiàn)短時過載后，再將電流精確限制到額定值的控制電路。

電路原理圖

一種安全可靠的過載限流電路

工作原理解析

我們以額定輸出電流為20A為例，分三種情況對電路的工作原理進行解析。

① 當輸出電流小于20A（正常工作狀態(tài)）時：

此時，電流采樣信號Iout電壓低于閾值（66 mV/A × 20.4 A ≈ 1.346 V）。比較器U16-A的同相輸入端（引腳1）因輸入電壓低而輸出高電平（4.98 V）。該高電平通過電阻R98對電容C58充電，使比較器U16-B的同相輸入端（引腳5）電壓達到4.98 V。由于U16-B的反相輸入端（引腳6）的參考電壓為固定值3.3 V（由Vref、R96、R103分壓得到），此時引腳5電壓高于引腳6，故U16-B的輸出端（引腳7）呈高阻態(tài)（懸空）。

在此狀態(tài)下，主調(diào)節(jié)環(huán)路正常工作。電流采樣信號（0 ~ 1.346 V）送至誤差放大器U15-A的引腳2，與基準電壓（引腳1）進行比較，穩(wěn)定地控制輸出電流在0 ~ 20A范圍內(nèi)。

② 當輸出電流在20A ~ 50A之間（過載狀態(tài)）時：

此時，電流采樣信號Iout電壓高于1.346 V。比較器U16-A的同相輸入端（引腳1）電壓超過其反相輸入端基準，輸出翻轉(zhuǎn)為低電平（約0.2 V）。這導(dǎo)致先前充滿電的電容C58通過R98、R101開始放電。

放電過程是一個延時環(huán)節(jié)。當U16-B的引腳5電壓從4.98 V放電至低于引腳6的參考電壓3.3 V時，比較器U16-B發(fā)生翻轉(zhuǎn)，其輸出端（引腳7）變?yōu)榈碗娖剑?.2 V）。根據(jù)電路參數(shù)計算，這個放電時間（即允許的過載時間）t? ≈ 1.96秒。

在1.96秒的延時期間，系統(tǒng)允許過載運行。延時結(jié)束后，U16-B輸出的低電平將作用于后續(xù)控制環(huán)節(jié)，觸發(fā)限流保護。

③ 當輸出電流大于50A（嚴重過載狀態(tài)）時：

此時，電流采樣信號Iout電壓遠超閾值（> 66 mV/A × 50 A = 3.3 V）。比較器U16-A的輸出（引腳1）迅速變?yōu)榈碗娖?，電容C58同樣開始放電，延時時間t?仍為1.96秒。

關(guān)鍵在于，在這1.96秒的放電過程中，調(diào)節(jié)信號Iadj（98.02 mV × 50 A = 4.98 V）已經(jīng)達到了其最大量程（飽和值）。因此，誤差放大器U15-A的基準電壓（引腳3）被鉗位在最大值。當1.96秒延時結(jié)束后，U16-B翻轉(zhuǎn)，保護機制啟動，通過調(diào)節(jié)環(huán)路將U15-A的基準電壓（引腳3）強制拉低至約1.32 V，這個電壓值恰好對應(yīng)20A的輸出電流。

最終，系統(tǒng)輸出電流將從過載狀態(tài)（例如50A或更高）被精確地限制并穩(wěn)定在20A，從而實現(xiàn)了“允許短時過載，而后限流至額定電流”的保護功能。

限流電路的實際應(yīng)用比較

如下表所示，對以上介紹的三種限流電路進行應(yīng)用對比。

三種限流電路的對比

(1) 電阻初級限流的特點

其優(yōu)點在于電路結(jié)構(gòu)簡單，元器件數(shù)量少，調(diào)試過程相對便捷。但保護精度和響應(yīng)速度相對較差。

(2) 逐波限流的特點

其特點是響應(yīng)速度極快，能夠在過流發(fā)生的瞬間封鎖驅(qū)動脈沖。但設(shè)計時需精確控制延遲時間，避免因延遲過長導(dǎo)致限流點超出安全范圍，同時也要防止因噪聲干擾引發(fā)誤觸發(fā)。

(3) 額定電流限流電路的優(yōu)點

其優(yōu)勢在于電路結(jié)構(gòu)相對簡潔，動態(tài)響應(yīng)迅速且可靠性高。最重要的是，它能夠滿足部分感性負載等需要短時過載能力的應(yīng)用場景，實現(xiàn)了保護功能與系統(tǒng)可用性的平衡。

劃重點

電源是電子設(shè)備穩(wěn)定運行的基石，而完善的保護措施則是保障電源自身及負載安全的關(guān)鍵。本文分析了三種典型的限流保護電路，重點介紹了一種支持短時過載的精密限流方案。通過對電路原理的解析可以看出，該方案能夠在允許短時過載后，將電流精確地限制在額定值，有效保障了電源的穩(wěn)定工作。

在實際工程設(shè)計中，除了本文討論的電路，還存在基極驅(qū)動限流、無功耗限流等多種保護技術(shù)，它們各有優(yōu)劣。設(shè)計者應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求、成本及性能指標，選擇最合適的限流保護電路，以實現(xiàn)理想的保護效果，從而提升電源乃至整個系統(tǒng)的可靠性。