一種高側電流檢測電路的仿真與驗證

李 鵬， 何雙亮， 周革強*， 仇慶東， 陳 華

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

1 引言

過流會引起危及電子系統安全的故障，常見的過流保護器中，電流檢測方式從熱方式和電磁方式發展到了電子方式。 專業的集成化芯片技術使得過流保護器精度更高，功能更加豐富。熱方式過流保護器利用電流流過保護裝置中發熱元件所產生的熱量變化作為檢測方式，完成電能?熱能的轉換，主要提供延時保護，由于具有熱敏感性，不適用于溫差較大的環境，延時時間和過流保護點精度相對較差，保護方式單一；電磁方式過流保護器利用電流流過保護裝置中線圈時產生磁力變化作為檢測方式，完成電能-磁能的轉換，主要提供瞬時速斷保護，靈敏度高，動作點相對精確，保護方式單一；電子過流保護器使用電子元件構成的電路進行電流檢測，智能識別電路中的電流狀態，實現反時限、定時限、瞬時速斷保護等過流保護功能，靈敏度高，動作點精確。

航天設備過流保護應優先采用可恢復式過流保護方法，并具有多種保護曲線，滿足電子系統保護需求，提高航天設備的可靠性。 大功率配電線路保護常采用基于固態供電控制的可恢復式過流保護技術；小功率設備常采用熔斷器等過流保護方式進行被動保護，保護曲線單一且無法恢復，可靠性低。 因此需要針對小功率設備的過流問題進行可恢復式過流保護方法研究，提高小功率航天設備的可靠性。

本文基于高側電流檢測技術，設計一種可恢復式過流保護器的過流檢測電路，對反時限、定時限和瞬時速斷過流保護曲線進行仿真分析，對該電路進行性能測試驗證，并對多級保護策略進行了討論。

2 系統設計

2.1 基本要求

過流檢測電路應滿足如下要求：

1）具有選擇性和靈敏性。 當電子系統中出現過流時，必須準確快速響應，準確識別負載或后端線路工作電流的波動對系統安全的影響，提高電路系統的可靠性。

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，延時長，可采用反時限長延時或定時限短延時保護；短路（故障）電流大，時間短，需采用定時或瞬時速斷保護，對電流檢測電路的靈敏性要求極高。

小功率過流保護器的過流檢測電路除了滿足以上要求外，還應具有如下特點：①參數便于調整。 由于后端接入的負載存在多樣性，其整定電流值和保護曲線可根據實際情況調整，以滿足電路系統的可靠性要求。 ②結構簡單。 在不增加系統復雜性的前提下，過流檢測電路采用硬件實現，避免引入軟件算法，增加系統的復雜性。

2.2 方案設計

測量電流的最常用方法是檢測串聯在供電電路的電阻壓降，該方法比較簡單，易于實現而且成本較低，這種方法可以提供極高的線性度，無需校準。 當電流流過采樣電阻時，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，相應的檢測電壓也會減小，增加檢測難度。

測量電流時，通常會采用高側（采樣電阻放置在電源正輸出端與后端負載之間）電流或者低側（采樣電阻放在后端負載和電源負輸出端之間）電流檢測方法。 這2 種方法優缺點在于：高側電流測量方法必須承受高壓共模信號，但能夠檢測經過后端負載的全部電流；低側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，但在復雜的電路系統中存在多個電源回路（接地點）時，流經采樣電阻的電流不完整。

隨著高側電流檢測方法的發展，專用采樣高側電流檢測芯片越來越成熟，高側電流檢測已成為趨勢。 目前過流保護裝置常用LSI（Long?Short?Instant）三段式保護曲線，電子系統中各種工作狀態的電流曲線如圖1 所示。 參照國家標準GB／T14048.2-2020 《低壓開關設備和控制設備第2 部分：斷路器》，過流檢測電路設置相應的特征參數，如表1 所示。

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

表1 過流保護電路系統特征參數Table 1 Characteristic parameters of overcurrent protection

如圖1 所示，長延時采用反時限方案，短延時采用定時限方案，瞬時速斷的時間是由電路響應時間和開關動作時間決定的固有時間。

3 電路設計

本文過流檢測電路所有算法均由硬件邏輯電路實現，復雜度低，可靠性高，可以精確模擬電流保護曲線。 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信號輸出電路。

3.1 電流檢測電路

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

圖2 高側電流檢測電路圖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載設備。 根據芯片手冊，輸出電壓可表示為式（1）：

式中，為電路檢測芯片內部增益系數，外部增益可通過調節。 當和確定后，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，＝××。

3.2 判決電路

圖1 中過流保護曲線包含3 種基本保護措施，即反時限長延時保護、定時限短延時保護和瞬時速斷保護，采用電壓比較器對保護電流點進行判決，判斷當前電路系統的工作狀態，如圖3所示。

3.2.1 長延時保護

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 長延時保護電路框圖Fig.3 Block diagram of long delay protection circuit

式中，′為電容的初始電壓值，為長延時保護時間，為時間常數，＝×。

從式（3）可以看出，延時時間與被測電流反向變化，即被測電流值越大，電容的電壓升至時間越短，實現了反時限延時算法。

當被測電流超過長延時電流保護值時，即≥，經過長延時判決電路判斷后，啟動長延時保護，電容開始充電。

當被測電流持續時間超過長延時時間，即電容的電壓≥時，輸出過流保護信號；當在延時時間內，被測電流減小至電流保護值以內時，電容開始放電，電壓降低，完成長延時判決。

3.2.2 短延時判決電路

如圖4 所示，電容的供電電壓VDD 是固定的，因此電容的電壓達到的時間也是固定的，實現了定時限延時保護算法。 其工作原理與長延時保護電路相同。

圖4 短延時保護電路框圖Fig.4 Block diagram of short delay protection circuit

當被測電流超過短延時電流保護值時，即≥，經過短延時判決電路判斷后，啟動短延時保護，電容開始充電。

當被測電流持續時間超過短延時時間，即電容的電壓≥時，輸出過流保護信號2。

在延時間內，被測電流減小至電流保護值以內時，電容開始放電，電壓降低，完成短延時判決。

3.2.3 瞬時判決電路

如圖5 所示，當被測電流超過瞬時速斷保護電流值時，即≥， 經過瞬時保護電路判決后，直接輸出短路保護信號。

圖5 瞬時保護電路框圖Fig.5 Block diagram of instant delay protection circuit

3.3 過流保護信號輸出電路

如圖6 所示，采用或門邏輯電路對長延時過流保護信號、短延時過流保護信號以及瞬時速斷保護信號進行選擇選擇，輸出電路過流保護信號作為后端開關電路的驅動信號。

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

4 仿真分析和驗證

利用Multisim 仿真軟件，對過流檢測電路進行仿真分析，不僅可以清楚地了解電路的工作狀態，還可以測量電路的性能指標，驗證電路設計的正確性和準確性。

4.1 仿真條件

根據第3 章的電路設計，搭建仿真電路，如圖7 所示，參數設計如表2 所示，進行以下設置：

表2 仿真參數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，電流的放大倍數增益取1 V／A。 因此，式（2）可寫為式（4）。

2）根據表2，過流保護門限電壓分別設置為＝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 長延時保護功能仿真

如圖8 所示，電路初始時被測電流＝3.5 A，工作在正常狀態。 通過調整模擬負載電阻阻值，模擬被測電流發生變化，使得被測電流增大至5 A，達到長延時電流保護值，啟動長延時電流保護。 當電流持續時間達到56 s時，輸出過流保護信號。

圖8 長延時保護電路仿真結果-1Fig.8 Simulation results of long?delay protection cir?cuit?1

如圖9 所示，電路初始時被測電流＝3.5 A，工作在正常狀態，通過調整模擬負載電阻阻值，模擬被測電流發生變化，使得被測電流增大至7.9 A，超過長延時電流保護值。 當電流持續時間約為9 s 時，輸出過流保護信號。

圖9 長延時保護電路仿真結果-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，保護時間越短，實現了反延時保護策略。

4.2.2 短延時保護功能仿真

如圖10 所示，電路初始時被測電流＝3.5 A，工作在正常狀態，通過調整模擬負載電阻阻值，模擬被測電流發生變化，使得被測電流增大至8 A，達到短延時保護電流值，啟動短延時電流保護。 當電流持續時間達到1.6 s時，輸出過流保護信號。

圖10 短延時保護電路仿真結果Fig.10 Simulation results of short?delay protection circuit

4.2.3 瞬時保護功能仿真

如圖11 所示，電路初始時被測電流＝3.5 A，工作在正常狀態，通過調整模擬負載電阻阻值，模擬被測電流發生變化，使得被測電流瞬間增大至10 A 以上，達到瞬時保護電流值，立即輸出過流保護信號。

圖11 瞬時保護電路仿真結果Fig.11 Simulation results of instant?delay protection circuit

4.2.4 長延時波動電流仿真

如圖12 所示，電路初始時被測電流＝3.5 A，工作在正常狀態，通過調整模擬負載電阻阻值，模擬被測電流發生變化，使得被測電流增大至7.9 A，超過長延時電流保護值，電容的電壓開始上升，電容開始充電；持續1 s后，被測電流降至6 A，電壓上升速率降低，電容繼續充電但速率降低；持續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 長延時波動電流仿真結果Fig.12 Simulation results of long?delay fluctuation current

過流檢測電路根據被測電流的波動動態調整延時時間，實現了動態反時限過流保護功能。

4.2.5 短延時波動電流仿真

如圖13 所示，電路初始時被測電流＝3.5 A，工作在正常狀態，通過調整模擬負載電阻阻值，模擬工作電流發生變化，使得被測電流增大至8.8 A，達到短延時電流保護值，電容和的電壓和開始上升，電容和開始充電；持續1 s 后，被測電流降至5.5 A，電壓上升速率降低，電容繼續充電，但速率降低，電壓開始降低，電容開始放電；當電流持續達到長延時保護時間（即＝）后，輸出過流保護信號。

圖13 短延時波動電流仿真結果Fig.13 Simulation results of short?delay fluctuation current

過流檢測電路根據被測電流的波動動態調保護策略，在長延時和短延時之間進行切換，實現電路的動態保護，提高了設備的可靠性。

4.3 驗證

基于上述電路原理及仿真結果，繪制電路原理圖，如圖14 所示。 完成原理樣機的加工與生產后，進行實物測試驗證，如圖15 所示，采樣專用的電流模擬測試設備，針對過流工況對過流檢測電路設置的各個保護點進行測試，測試條件按照仿真條件進行。

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

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

經過測試驗證，結果如表3 所示，表明實際性能與仿真結果一致，滿足技術指標要求。

表3 過流檢測電路指標要求及測試結果Table 3 Specifications and test results of over?current detection circuits

5 討論

電子系統中過流保護都是反應電流增大而啟動保護動作，應該是多位置、多保護策略相互配合構成一套過流保護系統。 不僅僅需要在設備負載前端設置過流保護，更要在電子系統支路的分支處設置過流保護，在可能最小的區間內將故障從電子系統中斷開，最大限度地保證系統中無故障部分仍能繼續安全運行。 下面對電子系統中的多級過流保護策略進行簡單討論：

1）瞬時速斷保護按照電子系統中最大短路電流來工作，對電子系統中電流的靈敏度最小。在電子系統負載后端中，各個保護點應以電流速斷保護作為主保護，以無時限動作切除故障點，減少事故持續時間，防止事故擴大。 為了實現保護的選擇性，實現準確故障隔離，瞬時速斷保護應該只在局部發揮作用。

2）負載前端限時速斷保護與負載后端電流速斷保護相配合，且以較短時限可以獲得選擇性的過流保護。 限時速斷（相對于瞬時速斷有一定時延）保護作為后備保護，保護范圍為整個電子系統全長，因此它的保護范圍必然延伸到部分后端負載電子系統，當負載后端某處發生短路時，前端限時速斷保護就要同步起動。 同時為了保證動作的選擇性，就必須帶有一定的延時，使它的保護范圍不超過后端線路速斷保護的保護范圍。

3）過載保護（長延時保護和短延時保護）是按保護最大負荷電流進行的一種類型。 前端保護參數設置應考慮到與負載后端線路保護的時限配合。 在正常工作時不啟動，而在電子系統發生過載或者短路狀態時，電流增大而啟動保護，它不僅能保護全長電子系統，也能保護后端全長負載線路，起到后備保護的作用。 以過載電流持續時間作為判據，實現保護的啟動和返回，完成保護的選擇性。

根據上述討論，在電子系統設計時應在電子系統適當位置的設置過流保護，設置參數時應與負載后端過流保護措施相配合，達到對整個電子系統的保護。

6 結論

1）針對小功率過流保護器設計了一種基于高側電路檢測技術的可恢復式過流保護電路，全部采用硬件實現，取代了復雜的軟件系統，可精確模擬保護曲線和靈活調整保護時間。

2）對過流檢測電路進行仿真分析和實物驗證，實現了反時限長延時、定時限短延時和瞬時速斷功能，非常適用于小功率設備的過流保護。

3）設置合理的多級多種保護策略可提高電子系統的可靠性。