原標題：閂式短路保護電路

閂式短路保護電路（Latch-Type Short Circuit Protection Circuit）是一種自鎖式保護機制，當檢測到短路或過流時，電路會立即切斷輸出并保持鎖定狀態，即使短路故障消失，也需通過外部復位信號（如手動開關或MCU控制）才能重新恢復工作。其核心優勢在于快速響應、高可靠性、避免反復觸發，廣泛應用于電源管理、電機驅動、電池保護等場景。

一、閂式保護電路的核心原理

1. 基本工作邏輯

• 正常狀態：電路輸出正常電壓/電流，保護模塊處于待機狀態。

• 短路觸發：當輸出端短路或負載電流超過閾值時，保護電路在納秒至微秒級內切斷輸出。

• 自鎖保持：切斷后，電路通過邏輯門或觸發器（如RS鎖存器）維持斷開狀態，防止短路反復觸發導致器件損壞。

• 復位機制：需通過外部信號（如復位按鈕、MCU控制）清除自鎖狀態，恢復輸出。

2. 關鍵組件

• 電流檢測元件：采樣電阻、霍爾傳感器或功率MOSFET的導通電阻（Rds(on)）。

• 比較器：將檢測電壓與參考閾值比較，輸出高低電平信號。

• 閂鎖邏輯：RS觸發器、D觸發器或專用保護IC（如TPS2590、LM5069）。

• 開關器件：MOSFET、IGBT或繼電器，用于實際切斷負載路徑。

二、典型電路設計示例

示例1：基于MOSFET和RS觸發器的閂式保護

電路組成：

• 采樣電阻（Rsense）：串聯在負載路徑中，將電流轉換為電壓信號。

• 比較器（U1）：正輸入接Rsense電壓，負輸入接參考電壓（Vref，設定短路閾值）。

• RS觸發器（U2）：S端接比較器輸出，R端接復位信號（手動或MCU控制）。

• N溝道MOSFET（Q1）：柵極由RS觸發器Q端控制，源極接地，漏極接負載。

工作流程：

1. 正常工作：負載電流小，Rsense電壓 < Vref，比較器輸出低電平，RS觸發器Q端輸出高電平，Q1導通，負載通電。

2. 短路觸發：負載短路導致電流激增，Rsense電壓 > Vref，比較器輸出高電平，RS觸發器置位（Q=1），Q1柵極被拉低，快速關斷。

3. 自鎖保持：即使短路消失，RS觸發器狀態保持，Q1維持關斷。

4. 復位恢復：通過復位信號（R端高電平）清除觸發器狀態，Q1重新導通。

優點：

• 成本低，僅需少量分立器件。

• 響應速度快（依賴比較器速度，通常<1μs）。

缺點：

• 需手動或MCU復位，無法自動恢復。

• 參數分散性需調試（如Rsense阻值、Vref精度）。

示例2：基于專用保護IC的閂式保護（如TPS2590）

電路組成：

• TPS2590：集成電流檢測、比較器、閂鎖邏輯和MOSFET驅動的專用芯片。

• 外部元件：僅需配置采樣電阻（Rsense）和復位按鈕。

工作流程：

1. 短路檢測：芯片內部比較器實時監測Rsense電壓，超過閾值后觸發閂鎖。

2. 快速關斷：芯片內置MOSFET驅動電路，在100ns內關斷外部功率MOSFET。

3. 自鎖保持：芯片內部鎖存故障狀態，需通過/RESET引腳（低電平）復位。

優點：

• 集成度高，參數一致性好。

• 支持可調閾值和延遲時間。

• 提供故障標志輸出（/FAULT引腳），便于MCU監控。

缺點：

• 成本較高（約1 3）。

• 靈活性受限（功能由芯片固定）。

三、關鍵設計考量

1. 響應時間優化

• 采樣電阻布局：盡量靠近負載端，縮短走線以減少寄生電感（避免電壓尖峰誤觸發）。

• 比較器選擇：選用高速比較器（如TLV3501，傳播延遲<10ns），減少檢測延遲。

• MOSFET驅動：使用圖騰柱驅動或專用驅動芯片（如TC4420），確保快速關斷。

2. 閾值設定

• 短路閾值（Vref）：根據負載最大允許電流（Imax）和Rsense阻值計算：

Vref=Imax×Rsense

例如：Imax=5A，Rsense=0.05Ω，則Vref=0.25V。

• 抗干擾設計：在Vref路徑添加濾波電容（如0.1μF），抑制噪聲干擾。

3. 復位策略

• 手動復位：適用于低成本場景（如消費電子），通過按鈕清除故障。

• MCU自動復位：通過GPIO輸出高電平復位信號，結合軟件看門狗實現故障自動恢復。

• 延時復位：在復位信號中加入RC延時（如100ms），避免短路瞬間反復觸發。

4. 故障指示

• LED指示燈：通過/FAULT引腳驅動LED，直觀顯示保護狀態。

• UART/I2C通信：將故障信息上傳至MCU，便于日志記錄和遠程監控。

四、應用場景與擴展

1. 典型應用

• 電源適配器：防止輸出短路導致電源模塊損壞。

• 電機驅動器：保護H橋MOSFET免受電機堵轉或相間短路沖擊。

• 電池保護板：防止電池過放或外部短路引發安全問題。

2. 擴展功能

• 過壓保護（OVP）：在比較器輸入端增加分壓電阻，檢測輸入電壓是否超限。

• 過溫保護（OTP）：通過NTC熱敏電阻和比較器實現溫度閂鎖。

• 軟啟動：在復位后加入MOSFET漸變導通（PWM調壓），避免啟動沖擊。

五、測試與驗證要點

1. 短路響應測試：

• 用導線短接輸出端，驗證電路是否在<1μs內切斷輸出。

• 檢查自鎖狀態是否保持（需復位信號才能恢復）。

2. 閾值精度測試：

• 通過可調負載逐步增加電流，記錄觸發保護時的實際電流值，與設定閾值對比（誤差應<5%）。

3. 復位可靠性測試：

• 重復觸發短路和復位操作1000次，檢查電路是否出現功能失效。

4. EMC測試：

• 注入快速瞬態脈沖（EFT）或靜電放電（ESD），驗證保護電路的抗干擾能力。

六、設計挑戰與解決方案

七、總結

閂式短路保護電路通過快速檢測、自鎖切斷、外部復位的機制，為電源和負載提供了高可靠性的保護。設計時需重點關注：

1. 響應速度（比較器+驅動電路優化）；

2. 閾值精度（采樣電阻選型和布局）；

3. 復位邏輯（手動/自動策略選擇）；

4. 故障擴展（OVP/OTP集成）。

實際開發中，可根據成本、體積和功能需求，選擇分立器件方案或專用保護IC方案。對于高可靠性場景（如工業、醫療），建議優先選用集成度高的專用芯片，并增加冗余設計（如雙比較器交叉驗證）。