【經典電路】限流保護電路圖文分析-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-04-07
下圖是一個經典的限流保護電路，本文分析一下其工作原理和限流保護機制。
圖 1 經典限流保護電路
Q1 和 Q2 構成互鎖電路，即 Q1 導通時 Q2 截止，Q2 導通時 Q1 截止。
在上電之后，這兩個晶體管的導通順序由 C1-R2-R3，C2-R1 決定。即在上電之后，由于電容兩端電壓不能突變，Q1 的基極電壓將由電容 C1 負極電壓 VCC 經過 R2，R3 逐漸減小至 0V；而 Q2 的基極電壓將由 C2 負極電壓 VCC 經過 R1 逐漸減小至 0V。
通過計算可以得知，Q1 的基極電壓為 0 時，需要 20ms 的時間，而 Q2 的基極電壓為 0 時，只需要 3ms 的時間，也就是說 Q2 的基極電壓的下降速度是 Q1 的 7 倍。因此，Q2 將先于 Q1 導通，Q2 導通之后，Q1 截止。
圖 2 Q1 和 Q2 基極電壓的變化時間
另外，該限流保護電路在限流保護狀態下不能恢復，雖然 Q1 處于導通狀態，輸出電壓也為 VCC，但是由于 R2 串聯其中，所以驅動能力非常小，如果能讓電路恢復，可增加 R4。
圖 1 中的三極管可以換為 P 溝道 MOSFET IRLML5203，圖 3 是示波器抓取的限流電路工作波形，C1 是 Q1 的基極電壓，C2 是 Q2 的基極電壓，C3 是輸出電壓，C4 是電源電壓 VCC=12V。
圖 3 限流電路啟動時的波形
根據上圖可以看出，在上電之后，Q1 和 Q2 的基極電壓瞬間達到電源電壓，隨后 Q1 和 Q2 的基極電壓均下降，只是 Q2 的基極電壓下降的較快，大約在 300us 的時間，Q2 導通，輸出端開始有電壓，隨后 Q2 基極電壓繼續下降，直至電壓為 0V，在此期間 Q1 基極電壓被拉高。
下圖是輸出對地短路情況時電源上電的波形圖：
圖 4 限流保護電路的保護機制波形
當輸出對地短路時，上電之后，仍是 Q2 先導通，隨后電源對地短路，電源電壓急劇下降并反彈（電源電壓急劇下降過程中，Q1、Q2 和電源電壓的下降速度為 Q2>Q1>電源電壓，說明電容 C1 和 C2 還在持續放電）。
電源電壓反彈之后，Q1 和 Q2 的基極電壓均再次下降，Q2 的下降速度仍快于 Q1，直至 Q1 導通，Q2 截止，電源電壓恢復正常，Q1 和 Q2 的基極電壓也由 C1 和 C2 充電恢復正常，最后，Q1 的基極電壓降至 0V，Q2 的基極電壓升高至 VCC。
不同電源電壓的保護特性
下面將電源電壓設置為 3.3V，測試限流保護電路的工作情況和保護機制：
不同 P 溝道 MOSFET 的保護特性
下面將 P 溝道 MOSFET 換為驅動能力更小的 BSS84PW，電源電壓 VCC=12V，測試限流保護電路的工作情況和保護機制：
在工作中輸出對其他電源短路情況下限流保護電路的保護機制
在電源電壓 VCC=12V 與一個小的電源電壓（3.3V 或者 5V）短路，測試限流保護電路的保護機制。
圖 10 輸出與 3.3V 電源短路
這種情況下，Q1 處于截止狀態，Q2 一直處于導通狀態，輸出 12V 電壓，也就是說 12V 電壓將 3.3V 的電壓拉高了。
限流保護電路的器件選型
根據上述分析的限流保護電路的工作原理可以得出：
1. P 溝道 MOSFET 或者 PNP 三級管的驅動能力要大于負載的工作電流，小于被保護電源芯片的輸出電流；
2. 阻容的選擇要保證 Q2 的導通時間小于 Q1 的導通時間，總體的切換時間要合適，減小該限流保護電路的響應時間。
3. 如果要同時保護對地短路和對小電源電壓保護的情況，可以在輸出端串接一個二極管，二極管對電源造成的壓降要滿足負載的要求。
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