一種基于憶阻器的截流型過電流保護電路

譚斌冠

(華南理工大學 電力學院， 廣東 廣州 510640)

0 引言

1971年加州大學蔡少棠教授根據(jù)電路變量關系的完備性提出了憶阻器的概念及定義[1]。憶阻器描述了磁通和電荷的關系，是繼電阻、電感、電容之后的第四個基本電路元件[2]。憶阻器的本質(zhì)特征是當通過正向電流時，其阻值會隨著流過的電荷量的增加而變大；當通過反向電流時，其阻值會隨著流過的電荷量的減少而減少。憶阻器的符號表示如圖1所示。

圖1 憶阻器

2008年，HP公司發(fā)現(xiàn)了納米級別的憶阻器實物模型。然而該模型是在嚴格的實驗室條件下制作而成，難以商業(yè)化。現(xiàn)有的關于憶阻器的論文大多用憶阻器的數(shù)學模型或等效實現(xiàn)電路進行仿真分析。

基于憶阻器的上述特性，本文提出用憶阻器替換截流型過電流保護電路的分壓電阻，從而更快速地提高保護電路三極管的基極電壓。將通過simulink搭建出憶阻器的等效實現(xiàn)電路模型，然后構造基于憶阻器的截流型過電流保護電路并進行理論分析和仿真驗證。

1 基于simulink的憶阻器等效實現(xiàn)電路

通過simulink仿真構建了憶阻器的等效實現(xiàn)電路，如圖2所示。其伏安特性曲線如圖3所示。

圖2 憶阻器的simulink模型

圖3 憶阻器的伏安特性曲線

2 基于憶阻器的截流型過電流保護電路

本文所構造的基于憶阻器的截流型過電流保護電路如圖4所示。

圖4中Q1是調(diào)整管，R2是電流采樣電阻，它與Q2，R1和憶阻器M共同構成了保護電路。開關S閉合時為提供過電流的條件。其中A點電位為：

UA=I0R2+U0

(1)

B點電位為：

(2)

根據(jù)A,B兩點的電位，求出Q2開關管b-e間電壓為：

(3)

對于傳統(tǒng)型截流型保護電路，正常運行時，Q2的UBE2是低電位，所以Q2截止。當輸出電流增大時，會導致A點的電位上升，通過電阻R1和接地電阻的分壓，使得Q2基極電壓UB2的電位也上升。當輸出電流增大到閥值時，Q2導通，對調(diào)整管Q1的基極電流進行分流，使得輸出電流減少，從而導致輸出電壓U0減少，UBE2進一步增大，導致Q2的電流進一步增大，對Q1的分流也增大，這便是傳統(tǒng)截流型保護電路的正反饋過程。

基于憶阻器的保護電路的保護過程與傳統(tǒng)型大致一樣，但是當U1的電位上升，通過電阻R1和憶阻器M的分壓時，由于憶阻器的阻值會隨著電流增大而增大。這會使得與憶阻器一端相連的Q2基極電壓UB2的電位上升比傳統(tǒng)型更快，UBE2更快導通，同時Q2的分流作用也會更強烈，相同閥值的情況下，輸出電流降低的速度更快。

圖5和圖6分別給出了傳統(tǒng)的截流型過電流保護電路和基于憶阻器的過電流保護電路的輸出電流波形。

圖6 基于憶阻器的截流型過電流保護電路的輸出電流

從圖5和圖6可以看出，基于憶阻器的保護電路和傳統(tǒng)型保護電路在過電流前后的各支路電流值基本一樣，這說明當輸出電壓降為0時，最后穩(wěn)定的輸出電流是一樣的。但其過程卻不一樣。從輸出電流的波形變換圖可以看出，輸出電壓接地瞬間，輸出電流都會急劇上升，但是基于憶阻器的保護電路的超調(diào)量更大，這說明基于憶阻器的保護電路的閥值更高。因為當輸出電壓接地時，輸出電流先是急劇上升到閥值，然后再回落到穩(wěn)定值。對于同樣的穩(wěn)定值和分流效果，閥值更高意味著電流能減少值更大。反過來說，通過調(diào)節(jié)，使得憶阻器和電阻對應的閥值一樣時，憶阻器的電流也將減少到更小的值，起到更好的保護作用。

3 結語

本文提出了一種基于憶阻器的截流型過電流保護電路，理論分析和電路仿真都驗證了電路的正確性。

與傳統(tǒng)的截流型過電流保護電路相比，該模型具有以下優(yōu)點：

1) 電路能有更高的閥值，從而降低電路的靈敏度，防止了電路的誤觸發(fā)。

2) 電路相比傳統(tǒng)型，當保護電路被觸發(fā)時，能降低更多的電流，有效地抑制了干擾對電路造成的影響。

3) 由于憶阻器的阻值能隨流過的電流增大而增大，這樣保護管Q2基極的觸發(fā)電壓是呈加速度增大，而傳統(tǒng)型保護管Q2的基極是呈線性增大，所以憶阻器的響應時間會比傳統(tǒng)型的保護電路的響應時間更快。