电动工具保护电路的设计仿真与应用

解品星，于韶东，项学良

（上汽通用东岳汽车有限公司，山东 烟台 264006）

0 引 言

目前大多数制造工厂对手持式电动工具的应用较为广泛，而在应用过程中会遇到一系列安全问题。经验证发现安全问题主要包括两种，一种是过电压造成CPU电路和控制电源电路的损坏，另一种则是过电流造成驱动电路的损坏。电池的能量密度较大，会对人体造成不同的伤害。根据在电动工具应用过程中发现的安全隐患问题，通过设计过电流和过电压保护电路来增加电动工具的生命周期，保证使用安全，降低损失[1]。

1 保护电路总体设计

整个保护电路设计包括电源启动保护电路、过电压保护电路以及过电流保护电路3部分，通过控制电源电路和CPU电路形成多路闭环反馈电路来实现整体电路保护的功能[2]。设计逻辑框图如图1所示。

图1 保护电路设计逻辑框图

其中，启动保护电路通过检测采集电压和电流信号，发生故障时能够快速切断电池电源对控制电源管理的供电，保证其他电路不受到损坏。电动工具运行超过过电压保护电路的门槛电压时，会将检测到的过电压信号传给单片机，从而启动保护电路，切断电池电源。电流采集电路实时采集驱动电路的电流信号，电流过大时会将采集的信号传给单片机，同样会切断电池电源[3]。

2 保护电路硬件设计

2.1 电源启动保护电路设计

电源启动保护电路如图2所示，电池电源VCC1通过两个N沟道MOS管，2个P沟道MOS管来实现启动、自锁以及控制电源VCC2,形成电池电源VCC1到其他控制电源VCC2的闭环控制。Q8门极通过分压电阻得到一个触发电压，才能使VCC2得到有效电压，通过单片机控制形成自锁且通过电压电流的检测采集使电路板其他电路得到保护[4]。

图2 电源启动保护电路图

2.2 过电压保护与过流保护电路设计

过电压保护电路如图3（a）所示，选用LMV331芯片，检测VCC2电压，当高于其门槛电压时LMV331输出高电平控制电源保护电路中Q10的门极触发电压，Q7、Q10导通，Q8门极得到控制，切断VCC2电压，使其他电路得到保护[5]。过流保护电路如图3（b）所示，选用芯片LMV7219，通过采样电阻R27采集电流信号，电流过高时LMV7219输出低电平给单片机，通过编程控制电源保护电路Q9的门极，使Q9截止，Q8的门极得到控制，从而使VCC2得到保护[6]。

图3 设计保护电路图

3 Multisim仿真

使用Multisim软件仿真设计的电气原理图，通过仿真可以验证该设计的功能，并且能够及时有效的发现电路中存在的问题[7]。

3.1 启动保护电路的仿真

根据设计的原理图，对启动电源保护电路进行充分验证，如图4所示。在设计的控制电源自锁电路中Q8没有输出时，Q9的门极得不到控制电压，从而VCC2没有输出电压。在电池电源启动后得到一个瞬时输出电压给电源管理电路，从而激活单片机，使Q9门极得到一个控制电压形成自锁（仿真时加了一个直流5 V的电压进行验证），这样便可以控制VCC2的输出[8]。

图4 启动保护电路仿真示意图

3.2 过电压保护电路仿真

通过仿真验证可以确定所设计的过压保护门槛电压是45 V。当VCC2电压小于45 V时，LMV331输出低电平，从而控制启动电源保护电路中Q10的门极电压，使其不导通。当VCC2大于45 V时，LMV331输出高电平，从而通控制MOS管Q10导通，保护VCC2电压输出，这与分析的电气原理相吻合，如图5所示[9]。

图5 过电压保护仿真示意图

3.3 过电流保护电路仿真

为验证对大电多流可以开启保护，仿真时用直流电压源作为信号的输出，根据欧姆定律便可以推算出最大的保护电流。当采集电压低于1.6 V时，LMV7219输出高电平；采集电压高于1.6 V时，LMV7219输出低电平[10]。根据欧姆定律计算可得过流保护的最大值在8 A左右，而LMV7219输出的信号直接传给单片机，通过程序控制启动电源保护电路的MOS管Q9的门极，从而对VCC2起到保护作用。

4 结 论

通过对电动工具保护电路的设计研究，并仿真验证设计的功能，其可以应用于各类手持电动工具的保护电路。此电路的设计与应用可以避免应用过程中存在的安全隐患问题，使过电压或过电流电路及时对主电路板进行保护。此外，设计所采用的的元器件性能稳定且运行可靠，可以搭建不同电压等级的保护电路，应用前景广阔。