一種高側(cè)電流檢測電路的仿真與驗(yàn)證

李 鵬， 何雙亮， 周革強(qiáng)*， 仇慶東， 陳 華

（1.中國航天員科研訓(xùn)練中心， 北京 100094； 2.中航工業(yè)沈陽興華航空電器有限責(zé)任公司， 沈陽 110144）

1 引言

過流會(huì)引起危及電子系統(tǒng)安全的故障，常見的過流保護(hù)器中，電流檢測方式從熱方式和電磁方式發(fā)展到了電子方式。 專業(yè)的集成化芯片技術(shù)使得過流保護(hù)器精度更高，功能更加豐富。熱方式過流保護(hù)器利用電流流過保護(hù)裝置中發(fā)熱元件所產(chǎn)生的熱量變化作為檢測方式，完成電能?熱能的轉(zhuǎn)換，主要提供延時(shí)保護(hù)，由于具有熱敏感性，不適用于溫差較大的環(huán)境，延時(shí)時(shí)間和過流保護(hù)點(diǎn)精度相對較差，保護(hù)方式單一；電磁方式過流保護(hù)器利用電流流過保護(hù)裝置中線圈時(shí)產(chǎn)生磁力變化作為檢測方式，完成電能-磁能的轉(zhuǎn)換，主要提供瞬時(shí)速斷保護(hù)，靈敏度高，動(dòng)作點(diǎn)相對精確，保護(hù)方式單一；電子過流保護(hù)器使用電子元件構(gòu)成的電路進(jìn)行電流檢測，智能識別電路中的電流狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)反時(shí)限、定時(shí)限、瞬時(shí)速斷保護(hù)等過流保護(hù)功能，靈敏度高，動(dòng)作點(diǎn)精確。

航天設(shè)備過流保護(hù)應(yīng)優(yōu)先采用可恢復(fù)式過流保護(hù)方法，并具有多種保護(hù)曲線，滿足電子系統(tǒng)保護(hù)需求，提高航天設(shè)備的可靠性。 大功率配電線路保護(hù)常采用基于固態(tài)供電控制的可恢復(fù)式過流保護(hù)技術(shù)；小功率設(shè)備常采用熔斷器等過流保護(hù)方式進(jìn)行被動(dòng)保護(hù)，保護(hù)曲線單一且無法恢復(fù)，可靠性低。 因此需要針對小功率設(shè)備的過流問題進(jìn)行可恢復(fù)式過流保護(hù)方法研究，提高小功率航天設(shè)備的可靠性。

本文基于高側(cè)電流檢測技術(shù)，設(shè)計(jì)一種可恢復(fù)式過流保護(hù)器的過流檢測電路，對反時(shí)限、定時(shí)限和瞬時(shí)速斷過流保護(hù)曲線進(jìn)行仿真分析，對該電路進(jìn)行性能測試驗(yàn)證，并對多級保護(hù)策略進(jìn)行了討論。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基本要求

過流檢測電路應(yīng)滿足如下要求：

1）具有選擇性和靈敏性。 當(dāng)電子系統(tǒng)中出現(xiàn)過流時(shí)，必須準(zhǔn)確快速響應(yīng)，準(zhǔn)確識別負(fù)載或后端線路工作電流的波動(dòng)對系統(tǒng)安全的影響，提高電路系統(tǒng)的可靠性。

2）具備過載電流和短路（故障）電流檢測功能。 過載電流相對較小，延時(shí)長，可采用反時(shí)限長延時(shí)或定時(shí)限短延時(shí)保護(hù)；短路（故障）電流大，時(shí)間短，需采用定時(shí)或瞬時(shí)速斷保護(hù)，對電流檢測電路的靈敏性要求極高。

小功率過流保護(hù)器的過流檢測電路除了滿足以上要求外，還應(yīng)具有如下特點(diǎn)：①參數(shù)便于調(diào)整。 由于后端接入的負(fù)載存在多樣性，其整定電流值和保護(hù)曲線可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，以滿足電路系統(tǒng)的可靠性要求。 ②結(jié)構(gòu)簡單。 在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性的前提下，過流檢測電路采用硬件實(shí)現(xiàn)，避免引入軟件算法，增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。

2.2 方案設(shè)計(jì)

測量電流的最常用方法是檢測串聯(lián)在供電電路的電阻壓降，該方法比較簡單，易于實(shí)現(xiàn)而且成本較低，這種方法可以提供極高的線性度，無需校準(zhǔn)。 當(dāng)電流流過采樣電阻時(shí)，存在功率損耗，因此采樣電阻值必須盡可能小，以降低能量消耗。 選擇較小的采樣電阻，相應(yīng)的檢測電壓也會(huì)減小，增加檢測難度。

測量電流時(shí)，通常會(huì)采用高側(cè)（采樣電阻放置在電源正輸出端與后端負(fù)載之間）電流或者低側(cè)（采樣電阻放在后端負(fù)載和電源負(fù)輸出端之間）電流檢測方法。 這2 種方法優(yōu)缺點(diǎn)在于：高側(cè)電流測量方法必須承受高壓共模信號，但能夠檢測經(jīng)過后端負(fù)載的全部電流；低側(cè)電流測量方法能夠抗高壓尖峰干擾，只需承受低壓共模信號，但在復(fù)雜的電路系統(tǒng)中存在多個(gè)電源回路（接地點(diǎn)）時(shí)，流經(jīng)采樣電阻的電流不完整。

隨著高側(cè)電流檢測方法的發(fā)展，專用采樣高側(cè)電流檢測芯片越來越成熟，高側(cè)電流檢測已成為趨勢。 目前過流保護(hù)裝置常用LSI（Long?Short?Instant）三段式保護(hù)曲線，電子系統(tǒng)中各種工作狀態(tài)的電流曲線如圖1 所示。 參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T14048.2-2020 《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第2 部分：斷路器》，過流檢測電路設(shè)置相應(yīng)的特征參數(shù)，如表1 所示。

圖1 電子系統(tǒng)電流曲線示意圖［12］Fig.1 Diagram of electron system current curves ［12］

表1 過流保護(hù)電路系統(tǒng)特征參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of overcurrent protection

如圖1 所示，長延時(shí)采用反時(shí)限方案，短延時(shí)采用定時(shí)限方案，瞬時(shí)速斷的時(shí)間是由電路響應(yīng)時(shí)間和開關(guān)動(dòng)作時(shí)間決定的固有時(shí)間。

3 電路設(shè)計(jì)

本文過流檢測電路所有算法均由硬件邏輯電路實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜度低，可靠性高，可以精確模擬電流保護(hù)曲線。 過流檢測電路分為3 部分：電流檢測電路、判決電路和過流保護(hù)信號輸出電路。

3.1 電流檢測電路

如圖2 所示，U為高側(cè)專用電流測量專用芯片，可在較高的共模電壓下檢測電流。 該芯片可將一個(gè)較小的差分輸入電壓轉(zhuǎn)換為較小的電流輸出，通過外部增益電阻放大后，轉(zhuǎn)換為可以識別的電壓信號。

圖2 高側(cè)電流檢測電路圖Fig.2 Diagram of high?side current detection circuit

圖2 中為采樣電阻，是模擬供電電路的后端的負(fù)載設(shè)備。 根據(jù)芯片手冊，輸出電壓可表示為式（1）：

式中，為電路檢測芯片內(nèi)部增益系數(shù)，外部增益可通過調(diào)節(jié)。 當(dāng)和確定后，輸出電壓與被測電流成固定比例，因此式（1）可改寫為式（2）：

式中，為常數(shù)，＝××。

3.2 判決電路

圖1 中過流保護(hù)曲線包含3 種基本保護(hù)措施，即反時(shí)限長延時(shí)保護(hù)、定時(shí)限短延時(shí)保護(hù)和瞬時(shí)速斷保護(hù)，采用電壓比較器對保護(hù)電流點(diǎn)進(jìn)行判決，判斷當(dāng)前電路系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如圖3所示。

3.2.1 長延時(shí)保護(hù)

如圖3 所示，電容的供電電壓′隨的變化而變化，電壓可表示為式（3）：

圖3 長延時(shí)保護(hù)電路框圖Fig.3 Block diagram of long delay protection circuit

式中，′為電容的初始電壓值，為長延時(shí)保護(hù)時(shí)間，為時(shí)間常數(shù)，＝×。

從式（3）可以看出，延時(shí)時(shí)間與被測電流反向變化，即被測電流值越大，電容的電壓升至?xí)r間越短，實(shí)現(xiàn)了反時(shí)限延時(shí)算法。

當(dāng)被測電流超過長延時(shí)電流保護(hù)值時(shí)，即≥，經(jīng)過長延時(shí)判決電路判斷后，啟動(dòng)長延時(shí)保護(hù)，電容開始充電。

當(dāng)被測電流持續(xù)時(shí)間超過長延時(shí)時(shí)間，即電容的電壓≥時(shí)，輸出過流保護(hù)信號；當(dāng)在延時(shí)時(shí)間內(nèi)，被測電流減小至電流保護(hù)值以內(nèi)時(shí)，電容開始放電，電壓降低，完成長延時(shí)判決。

3.2.2 短延時(shí)判決電路

如圖4 所示，電容的供電電壓VDD 是固定的，因此電容的電壓達(dá)到的時(shí)間也是固定的，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)限延時(shí)保護(hù)算法。 其工作原理與長延時(shí)保護(hù)電路相同。

圖4 短延時(shí)保護(hù)電路框圖Fig.4 Block diagram of short delay protection circuit

當(dāng)被測電流超過短延時(shí)電流保護(hù)值時(shí)，即≥，經(jīng)過短延時(shí)判決電路判斷后，啟動(dòng)短延時(shí)保護(hù)，電容開始充電。

當(dāng)被測電流持續(xù)時(shí)間超過短延時(shí)時(shí)間，即電容的電壓≥時(shí)，輸出過流保護(hù)信號2。

在延時(shí)間內(nèi)，被測電流減小至電流保護(hù)值以內(nèi)時(shí)，電容開始放電，電壓降低，完成短延時(shí)判決。

3.2.3 瞬時(shí)判決電路

如圖5 所示，當(dāng)被測電流超過瞬時(shí)速斷保護(hù)電流值時(shí)，即≥， 經(jīng)過瞬時(shí)保護(hù)電路判決后，直接輸出短路保護(hù)信號。

圖5 瞬時(shí)保護(hù)電路框圖Fig.5 Block diagram of instant delay protection circuit

3.3 過流保護(hù)信號輸出電路

如圖6 所示，采用或門邏輯電路對長延時(shí)過流保護(hù)信號、短延時(shí)過流保護(hù)信號以及瞬時(shí)速斷保護(hù)信號進(jìn)行選擇選擇，輸出電路過流保護(hù)信號作為后端開關(guān)電路的驅(qū)動(dòng)信號。

圖6 過流保護(hù)信號輸出電路圖Fig. 6 Diagram of overcurrent protection signal output circuit

4 仿真分析和驗(yàn)證

利用Multisim 仿真軟件，對過流檢測電路進(jìn)行仿真分析，不僅可以清楚地了解電路的工作狀態(tài)，還可以測量電路的性能指標(biāo)，驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的正確性和準(zhǔn)確性。

4.1 仿真條件

根據(jù)第3 章的電路設(shè)計(jì)，搭建仿真電路，如圖7 所示，參數(shù)設(shè)計(jì)如表2 所示，進(jìn)行以下設(shè)置：

表2 仿真參數(shù)Table 2 Simulation parameters

圖7 仿真電路圖Fig.7 Diagram of the simulation circuit

1）為了仿真分析方便，電流的放大倍數(shù)增益取1 V／A。 因此，式（2）可寫為式（4）。

2）根據(jù)表2，過流保護(hù)門限電壓分別設(shè)置為＝5 V，＝8 V，＝10 V。

3）電容和充電門限電壓＝5 V 和＝5 V。

4.2 仿真分析

4.2.1 長延時(shí)保護(hù)功能仿真

如圖8 所示，電路初始時(shí)被測電流＝3.5 A，工作在正常狀態(tài)。 通過調(diào)整模擬負(fù)載電阻阻值，模擬被測電流發(fā)生變化，使得被測電流增大至5 A，達(dá)到長延時(shí)電流保護(hù)值，啟動(dòng)長延時(shí)電流保護(hù)。 當(dāng)電流持續(xù)時(shí)間達(dá)到56 s時(shí)，輸出過流保護(hù)信號。

圖8 長延時(shí)保護(hù)電路仿真結(jié)果-1Fig.8 Simulation results of long?delay protection cir?cuit?1

如圖9 所示，電路初始時(shí)被測電流＝3.5 A，工作在正常狀態(tài)，通過調(diào)整模擬負(fù)載電阻阻值，模擬被測電流發(fā)生變化，使得被測電流增大至7.9 A，超過長延時(shí)電流保護(hù)值。 當(dāng)電流持續(xù)時(shí)間約為9 s 時(shí)，輸出過流保護(hù)信號。

圖9 長延時(shí)保護(hù)電路仿真結(jié)果-2Fig.9 Simulation results of long?delay protection cir?cuit?2

通過圖8 和圖9 對比可以得出，電路電流越大，保護(hù)時(shí)間越短，實(shí)現(xiàn)了反延時(shí)保護(hù)策略。

4.2.2 短延時(shí)保護(hù)功能仿真

如圖10 所示，電路初始時(shí)被測電流＝3.5 A，工作在正常狀態(tài)，通過調(diào)整模擬負(fù)載電阻阻值，模擬被測電流發(fā)生變化，使得被測電流增大至8 A，達(dá)到短延時(shí)保護(hù)電流值，啟動(dòng)短延時(shí)電流保護(hù)。 當(dāng)電流持續(xù)時(shí)間達(dá)到1.6 s時(shí)，輸出過流保護(hù)信號。

圖10 短延時(shí)保護(hù)電路仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of short?delay protection circuit

4.2.3 瞬時(shí)保護(hù)功能仿真

如圖11 所示，電路初始時(shí)被測電流＝3.5 A，工作在正常狀態(tài)，通過調(diào)整模擬負(fù)載電阻阻值，模擬被測電流發(fā)生變化，使得被測電流瞬間增大至10 A 以上，達(dá)到瞬時(shí)保護(hù)電流值，立即輸出過流保護(hù)信號。

圖11 瞬時(shí)保護(hù)電路仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of instant?delay protection circuit

4.2.4 長延時(shí)波動(dòng)電流仿真

如圖12 所示，電路初始時(shí)被測電流＝3.5 A，工作在正常狀態(tài)，通過調(diào)整模擬負(fù)載電阻阻值，模擬被測電流發(fā)生變化，使得被測電流增大至7.9 A，超過長延時(shí)電流保護(hù)值，電容的電壓開始上升，電容開始充電；持續(xù)1 s后，被測電流降至6 A，電壓上升速率降低，電容繼續(xù)充電但速率降低；持續(xù)10 s 后，被測電流降至4.3 A，電壓開始降低，電容開始放電。

圖12 長延時(shí)波動(dòng)電流仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results of long?delay fluctuation current

過流檢測電路根據(jù)被測電流的波動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整延時(shí)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)反時(shí)限過流保護(hù)功能。

4.2.5 短延時(shí)波動(dòng)電流仿真

如圖13 所示，電路初始時(shí)被測電流＝3.5 A，工作在正常狀態(tài)，通過調(diào)整模擬負(fù)載電阻阻值，模擬工作電流發(fā)生變化，使得被測電流增大至8.8 A，達(dá)到短延時(shí)電流保護(hù)值，電容和的電壓和開始上升，電容和開始充電；持續(xù)1 s 后，被測電流降至5.5 A，電壓上升速率降低，電容繼續(xù)充電，但速率降低，電壓開始降低，電容開始放電；當(dāng)電流持續(xù)達(dá)到長延時(shí)保護(hù)時(shí)間（即＝）后，輸出過流保護(hù)信號。

圖13 短延時(shí)波動(dòng)電流仿真結(jié)果Fig.13 Simulation results of short?delay fluctuation current

過流檢測電路根據(jù)被測電流的波動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)保護(hù)策略，在長延時(shí)和短延時(shí)之間進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)電路的動(dòng)態(tài)保護(hù)，提高了設(shè)備的可靠性。

4.3 驗(yàn)證

基于上述電路原理及仿真結(jié)果，繪制電路原理圖，如圖14 所示。 完成原理樣機(jī)的加工與生產(chǎn)后，進(jìn)行實(shí)物測試驗(yàn)證，如圖15 所示，采樣專用的電流模擬測試設(shè)備，針對過流工況對過流檢測電路設(shè)置的各個(gè)保護(hù)點(diǎn)進(jìn)行測試，測試條件按照仿真條件進(jìn)行。

圖14 過流檢測電路原理圖Fig.14 Schematic diagram of overcurrent detection circuit

圖15 過流檢測電路實(shí)物測試Fig.15 Overcurrent detection circuit test

經(jīng)過測試驗(yàn)證，結(jié)果如表3 所示，表明實(shí)際性能與仿真結(jié)果一致，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

表3 過流檢測電路指標(biāo)要求及測試結(jié)果Table 3 Specifications and test results of over?current detection circuits

5 討論

電子系統(tǒng)中過流保護(hù)都是反應(yīng)電流增大而啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，應(yīng)該是多位置、多保護(hù)策略相互配合構(gòu)成一套過流保護(hù)系統(tǒng)。 不僅僅需要在設(shè)備負(fù)載前端設(shè)置過流保護(hù)，更要在電子系統(tǒng)支路的分支處設(shè)置過流保護(hù)，在可能最小的區(qū)間內(nèi)將故障從電子系統(tǒng)中斷開，最大限度地保證系統(tǒng)中無故障部分仍能繼續(xù)安全運(yùn)行。 下面對電子系統(tǒng)中的多級過流保護(hù)策略進(jìn)行簡單討論：

1）瞬時(shí)速斷保護(hù)按照電子系統(tǒng)中最大短路電流來工作，對電子系統(tǒng)中電流的靈敏度最小。在電子系統(tǒng)負(fù)載后端中，各個(gè)保護(hù)點(diǎn)應(yīng)以電流速斷保護(hù)作為主保護(hù)，以無時(shí)限動(dòng)作切除故障點(diǎn)，減少事故持續(xù)時(shí)間，防止事故擴(kuò)大。 為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確故障隔離，瞬時(shí)速斷保護(hù)應(yīng)該只在局部發(fā)揮作用。

2）負(fù)載前端限時(shí)速斷保護(hù)與負(fù)載后端電流速斷保護(hù)相配合，且以較短時(shí)限可以獲得選擇性的過流保護(hù)。 限時(shí)速斷（相對于瞬時(shí)速斷有一定時(shí)延）保護(hù)作為后備保護(hù)，保護(hù)范圍為整個(gè)電子系統(tǒng)全長，因此它的保護(hù)范圍必然延伸到部分后端負(fù)載電子系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載后端某處發(fā)生短路時(shí)，前端限時(shí)速斷保護(hù)就要同步起動(dòng)。 同時(shí)為了保證動(dòng)作的選擇性，就必須帶有一定的延時(shí)，使它的保護(hù)范圍不超過后端線路速斷保護(hù)的保護(hù)范圍。

3）過載保護(hù)（長延時(shí)保護(hù)和短延時(shí)保護(hù)）是按保護(hù)最大負(fù)荷電流進(jìn)行的一種類型。 前端保護(hù)參數(shù)設(shè)置應(yīng)考慮到與負(fù)載后端線路保護(hù)的時(shí)限配合。 在正常工作時(shí)不啟動(dòng)，而在電子系統(tǒng)發(fā)生過載或者短路狀態(tài)時(shí)，電流增大而啟動(dòng)保護(hù)，它不僅能保護(hù)全長電子系統(tǒng)，也能保護(hù)后端全長負(fù)載線路，起到后備保護(hù)的作用。 以過載電流持續(xù)時(shí)間作為判據(jù)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)的啟動(dòng)和返回，完成保護(hù)的選擇性。

根據(jù)上述討論，在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在電子系統(tǒng)適當(dāng)位置的設(shè)置過流保護(hù)，設(shè)置參數(shù)時(shí)應(yīng)與負(fù)載后端過流保護(hù)措施相配合，達(dá)到對整個(gè)電子系統(tǒng)的保護(hù)。

6 結(jié)論

1）針對小功率過流保護(hù)器設(shè)計(jì)了一種基于高側(cè)電路檢測技術(shù)的可恢復(fù)式過流保護(hù)電路，全部采用硬件實(shí)現(xiàn)，取代了復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，可精確模擬保護(hù)曲線和靈活調(diào)整保護(hù)時(shí)間。

2）對過流檢測電路進(jìn)行仿真分析和實(shí)物驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了反時(shí)限長延時(shí)、定時(shí)限短延時(shí)和瞬時(shí)速斷功能，非常適用于小功率設(shè)備的過流保護(hù)。

3）設(shè)置合理的多級多種保護(hù)策略可提高電子系統(tǒng)的可靠性。