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闩式短路保护电路

来源：维库电子网

2020-09-02

类别：电路图

拍明

原标题：闩式短路保护电路

闩式短路保护电路（Latch-Type Short Circuit Protection Circuit）是一种自锁式保护机制，当检测到短路或过流时，电路会立即切断输出并保持锁定状态，即使短路故障消失，也需通过外部复位信号（如手动开关或MCU控制）才能重新恢复工作。其核心优势在于快速响应、高可靠性、避免反复触发，广泛应用于电源管理、电机驱动、电池保护等场景。

一、闩式保护电路的核心原理

1. 基本工作逻辑

正常状态：电路输出正常电压/电流，保护模块处于待机状态。
短路触发：当输出端短路或负载电流超过阈值时，保护电路在纳秒至微秒级内切断输出。
自锁保持：切断后，电路通过逻辑门或触发器（如RS锁存器）维持断开状态，防止短路反复触发导致器件损坏。
复位机制：需通过外部信号（如复位按钮、MCU控制）清除自锁状态，恢复输出。

2. 关键组件

电流检测元件：采样电阻、霍尔传感器或功率MOSFET的导通电阻（Rds(on)）。
比较器：将检测电压与参考阈值比较，输出高低电平信号。
闩锁逻辑：RS触发器、D触发器或专用保护IC（如TPS2590、LM5069）。
开关器件：MOSFET、IGBT或继电器，用于实际切断负载路径。

二、典型电路设计示例

示例1：基于MOSFET和RS触发器的闩式保护

电路组成：

采样电阻（Rsense）：串联在负载路径中，将电流转换为电压信号。
比较器（U1）：正输入接Rsense电压，负输入接参考电压（Vref，设定短路阈值）。
RS触发器（U2）：S端接比较器输出，R端接复位信号（手动或MCU控制）。
N沟道MOSFET（Q1）：栅极由RS触发器Q端控制，源极接地，漏极接负载。

工作流程：

正常工作：负载电流小，Rsense电压 < Vref，比较器输出低电平，RS触发器Q端输出高电平，Q1导通，负载通电。
短路触发：负载短路导致电流激增，Rsense电压 > Vref，比较器输出高电平，RS触发器置位（Q=1），Q1栅极被拉低，快速关断。
自锁保持：即使短路消失，RS触发器状态保持，Q1维持关断。
复位恢复：通过复位信号（R端高电平）清除触发器状态，Q1重新导通。

优点：

成本低，仅需少量分立器件。
响应速度快（依赖比较器速度，通常<1μs）。

缺点：

需手动或MCU复位，无法自动恢复。
参数分散性需调试（如Rsense阻值、Vref精度）。

示例2：基于专用保护IC的闩式保护（如TPS2590）

电路组成：

TPS2590：集成电流检测、比较器、闩锁逻辑和MOSFET驱动的专用芯片。
外部元件：仅需配置采样电阻（Rsense）和复位按钮。

工作流程：

短路检测：芯片内部比较器实时监测Rsense电压，超过阈值后触发闩锁。
快速关断：芯片内置MOSFET驱动电路，在100ns内关断外部功率MOSFET。
自锁保持：芯片内部锁存故障状态，需通过/RESET引脚（低电平）复位。

优点：

集成度高，参数一致性好。
支持可调阈值和延迟时间。
提供故障标志输出（/FAULT引脚），便于MCU监控。

缺点：

成本较高（约3）。
灵活性受限（功能由芯片固定）。

三、关键设计考量

1. 响应时间优化

采样电阻布局：尽量靠近负载端，缩短走线以减少寄生电感（避免电压尖峰误触发）。
比较器选择：选用高速比较器（如TLV3501，传播延迟<10ns），减少检测延迟。
MOSFET驱动：使用图腾柱驱动或专用驱动芯片（如TC4420），确保快速关断。

2. 阈值设定

短路阈值（Vref）：根据负载最大允许电流（Imax）和Rsense阻值计算：

例如：Imax=5A，Rsense=0.05Ω，则Vref=0.25V。

抗干扰设计：在Vref路径添加滤波电容（如0.1μF），抑制噪声干扰。

3. 复位策略

手动复位：适用于低成本场景（如消费电子），通过按钮清除故障。
MCU自动复位：通过GPIO输出高电平复位信号，结合软件看门狗实现故障自动恢复。
延时复位：在复位信号中加入RC延时（如100ms），避免短路瞬间反复触发。

4. 故障指示

LED指示灯：通过/FAULT引脚驱动LED，直观显示保护状态。
UART/I2C通信：将故障信息上传至MCU，便于日志记录和远程监控。

四、应用场景与扩展

1. 典型应用

电源适配器：防止输出短路导致电源模块损坏。
电机驱动器：保护H桥MOSFET免受电机堵转或相间短路冲击。
电池保护板：防止电池过放或外部短路引发安全问题。

2. 扩展功能

过压保护（OVP）：在比较器输入端增加分压电阻，检测输入电压是否超限。
过温保护（OTP）：通过NTC热敏电阻和比较器实现温度闩锁。
软启动：在复位后加入MOSFET渐变导通（PWM调压），避免启动冲击。

五、测试与验证要点

短路响应测试：

用导线短接输出端，验证电路是否在<1μs内切断输出。
检查自锁状态是否保持（需复位信号才能恢复）。

阈值精度测试：

通过可调负载逐步增加电流，记录触发保护时的实际电流值，与设定阈值对比（误差应<5%）。

复位可靠性测试：

重复触发短路和复位操作1000次，检查电路是否出现功能失效。

EMC测试：

注入快速瞬态脉冲（EFT）或静电放电（ESD），验证保护电路的抗干扰能力。

六、设计挑战与解决方案

挑战	解决方案
误触发（噪声干扰）	在采样电阻两端并联小电容（如1nF），滤除高频噪声。
复位信号抖动	在复位引脚增加施密特触发器（如74HC14），消除按键抖动。
功率MOSFET二次击穿	选择带雪崩额定值的MOSFET（如IRF540N），或增加RC缓冲电路吸收电压尖峰。
多路保护协同	使用带使能端（EN）的保护IC，通过MCU统一控制多路电路的复位和状态监测。