一种过流或短路故障信号隔离检测电路及其设计方法技术领域
本发明属于过流或短路故障保护技术领域，具体涉及一种过流或短路故障信号隔
离检测电路及其设计方法。
背景技术
随着电子技术的快速发展，开关变换器保护电路设计也成为确保变换器安全工作
至关重要的一部分。
目前，开关变换器的保护方案有很多，过流或短路保护电路、过压保护电路等。电
路的过流和短路有很多的相似性，同时又有很多本质上的区别。过流是指流经负载的电流
超过电源的额定输出电流，如果设备长时间工作在过流状态会损坏设备，电源也可能由于
长时间工作在满负荷的状态下而损坏；短路是指当负载相当于一根导线时，从开关变换器
流出的电流瞬间变大，或如全桥或半桥变换器的开关出现直通短路等故障，将会导致变换
器的损坏，所以过流以及短路保护电路在电路当中具有重要作用。对于过流或短路保护电
路，需要采样电流信号，检测电流的方式有很多，如串联电阻、电流传感器、电流互感器等。
串联电阻型保护电路需要电流采样电阻，如果采样电阻比较大，电阻上会流过很
大的电流，增加了电路额外的功耗，若采用小阻值电流采样电阻，则需将信号进行处理、放
大，这样会使电路结构变得复杂，增加成本；串联电阻采样电流信号的另一问题是不能实现
隔离。
电流传感器型检测电路，由于受带宽限制，保护速度可能达不到要求，而且一般电
流传感器又比较昂贵。如最常用的电流传感器——霍尔电流传感器，其价格较高，响应速度
不够快，小电流时精度低，而大部分电流传感器需要外加电源才能正常工作，这又使得电路
结构变得复杂。对于电流互感器检测电路，不适于直流或低频电流信号的测量，应用受到限
制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简
单、功耗低、抗干扰能力强、实现方便、成本低、工作稳定以及可靠性高、能够快速、有效地检
测过流或短路故障的过流或短路故障信号隔离检测电路。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种过流或短路故障信号隔离
检测电路，其特征在于：包括光耦隔离器U1和比较器U2，以及电阻RS、电阻R1、电阻R2、电阻
R3和电阻R4，所述电阻R1的一端与电阻RS的一端连接且为所述过流或短路故障信号隔离检
测电路的正极电压输入端IN+，所述光耦隔离器U1的阳极与电阻R1的另一端相接，且通过电
阻R2与第一参考电源的输出端Vref1相接，所述光耦隔离器U1的阴极与电阻RS的另一端连
接且为所述过流或短路故障信号隔离检测电路的负极电压输入端IN-，所述光耦隔离器U1
的集电极与比较器U2的反相输入端相接且通过电阻R3与供电电源的输出端VCC相接，所述
光耦隔离器U1的发射极接地，所述比较器U2的同相输入端与第二参考电源的输出端Vref2
相接，所述比较器U2的输出端为所述过流或短路故障信号隔离检测电路的输出端Vout，且
通过电阻R4与供电电源的输出端VCC相接。
上述的一种过流或短路故障信号隔离检测电路，其特征在于：所述光耦隔离器U1
的型号为6N137。
上述的一种过流或短路故障信号隔离检测电路，其特征在于：所述比较器U2的型
号为TLV3501。
本发明还提供了一种方法步骤简单、实现方便、实用性强的过流或短路故障信号
隔离检测电路的设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、选择合适参数的光耦隔离器U1、比较器U2、电阻RS、电阻R1、电阻R2、电阻
R3、电阻R4、第一参考电源和第二参考电源，其具体过程如下：
步骤101、根据选取电阻RS的阻值，其中，Imin为所述过流或短路
故障信号隔离检测电路能够检测的电流最小值，Imax为所述过流或短路故障信号隔离检测
电路能够检测的电流最大值，P为电阻RS的功耗；
步骤102、根据t传输＜t响应选取光耦隔离器U1，并根据选取的光耦隔离器U1选取供电
电源的输出电压VCC，其中，t传输为光耦隔离器U1的信号传输时间，t响应为故障响应时间；
步骤103、根据0＜Vref1-VD＜10V选取第一参考电源的输出电压Vref1，其中，VD为光
耦隔离器U1的输入端固有正向压降；
步骤104、根据t比较＜t传输选取比较器U2，其中，t比较为比较器U2的响应时间；
步骤105、根据0＜VCC-Vref2＜10V选取第二参考电源的输出电压Vref2；
步骤106、根据公式选取电阻R3的阻值，其中，IG为光耦隔离器U1
的最大灌电流；Iib为比较器U2的输入偏置电流；
步骤107、根据公式选取电阻R1和电阻R2的阻值；其中，
IFmax为流过光耦隔离器U1的最大输入电流，VRS1为待检测电路未出现过流故障时电阻RS两
端的电压，VRS2为待检测电路出现过流故障时电阻RS两端的电压；
步骤108、根据1kΩ≤R4＜10kΩ选取电阻R4的阻值；
步骤二、连接光耦隔离器U1、比较器U2、电阻RS、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、
第一参考电源和第二参考电源，其具体过程如下：
步骤201、连接电阻R1的一端和电阻RS的一端，并引出导线，作为所述过流或短路
故障信号隔离检测电路的正极电压输入端IN+；
步骤202、将电阻RS的另一端接到光耦隔离器U1的阴极，并引出导线，作为所述过
流或短路故障信号隔离检测电路的负极电压输入端IN-；
步骤203、将电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接后接到光耦隔离器U1的阳极，将
电阻R2的另一端接到第一参考电源的输出端Vref1；
步骤204、将电阻R3的一端与光耦隔离器U1的集电极连接后接到比较器U2的反相
输入端，将电阻R3的另一端接到供电电源的输出端VCC；
步骤205、将光耦隔离器U1的发射极接地；
步骤206、将比较器U2的同相输入端接到第二参考电源的输出端Vref2；
步骤207、将电阻R4的一端与比较器U2的输出端连接后引出导线，作为所述过流或
短路故障信号隔离检测电路的输出端Vout，将电阻R4的另一端接到供电电源的输出端VCC。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明过流或短路故障信号隔离检测电路的电路结构简单、设计合理、实现方
便且成本低。
2、本发明过流或短路故障信号隔离检测电路可检测的电流值变化范围大，并可实
现主电路和保护电路的隔离，工作可靠性高。
3、本发明的过流或短路故障信号隔离检测电路，能够快速检测电路中的过流或短
路信号，响应速度快，确保电路更安全可靠。
4、本发明通过选择较小的取样电阻，使得在流过较大电流时，产生的功耗也很小，
且能够检测电流值的变化范围较大。
5、本发明的过流或短路故障信号隔离检测电路使用时，当待检测电路正常工作
时，光耦隔离器不导通，降低了功耗，当待检测电路出现故障时，光耦隔离器导通且是瞬间
导通，导通后其功耗也非常低，同时光耦隔离器的使用也大大提高了检测电路的响应速度；
通过选择低功耗以及快速的比较器，能够进一步降低整个电路的功耗，同时与光耦隔离器
合理的配合(即比较器对故障信号的响应速度要大于光耦隔离器对故障信号的传输速度)，
又进一步的提高了电路的响应速度，所述本发明的电路对于低频、中频、高频信号都能较好
的响应。
6、本发明电路具有很强的抗干扰特性，提高了整体电路的稳定性。
7、本发明的过流或短路故障信号隔离检测电路适用于直流、低频、高频电流信号
的检测，适应范围广，实用性强，具有良好的应用推广价值。
综上所述，本发明电路具有结构简单、功耗低、抗干扰能力强、实现方便、成本低、
工作稳定以及可靠性高等优点，能够快速、有效地检测过流或短路故障，具有更好的推广应
用价值。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明过流或短路故障信号隔离检测电路的电路原理图。
图2为将本发明的过流或短路故障信号隔离检测电路应用在BUCK开关变换电路中
的电路原理图。
附图标记说明:
1—BUCK开关变换电路；2—PWM控制与驱动电路；
3—过流或短路故障信号隔离检测电路。
具体实施方式
如图1所示，本发明的过流或短路故障信号隔离检测电路，包括光耦隔离器U1和比
较器U2，以及电阻RS、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，所述电阻R1的一端与电阻RS的一端
连接且为所述过流或短路故障信号隔离检测电路3的正极电压输入端IN+，所述光耦隔离器
U1的阳极与电阻R1的另一端相接，且通过电阻R2与第一参考电源的输出端Vref1相接，所述
光耦隔离器U1的阴极与电阻RS的另一端连接且为所述过流或短路故障信号隔离检测电路3
的负极电压输入端IN-，所述光耦隔离器U1的集电极与比较器U2的反相输入端相接且通过
电阻R3与供电电源的输出端VCC相接，所述光耦隔离器U1的发射极接地，所述比较器U2的同
相输入端与第二参考电源的输出端Vref2相接，所述比较器U2的输出端为所述过流或短路
故障信号隔离检测电路3的输出端Vout，且通过电阻R4与供电电源的输出端VCC相接。
本实施例中，所述光耦隔离器U1的型号为6N137。
本实施例中，所述比较器U2的型号为TLV3501。
本发明的过流或短路故障信号隔离检测电路的设计方法，包括以下步骤：
步骤一、选择合适参数的光耦隔离器U1、比较器U2、电阻RS、电阻R1、电阻R2、电阻
R3、电阻R4、第一参考电源和第二参考电源，其具体过程如下：
步骤101、根据选取电阻RS的阻值，其中，Imin为所述过流或短路
故障信号隔离检测电路能够检测的电流最小值，Imax为所述过流或短路故障信号隔离检测
电路能够检测的电流最大值，P为电阻RS的功耗；即根据电路正常工作时电流的范围和低功
耗的要求选取电阻RS的阻值；电阻RS为采样电阻，用于检测待检测电路中的过流及短路信
号，为降低功耗，电阻RS的阻值在满足的条件下尽量取小；
本实施例中，Imin为5A，Imax为20A，P为1W，因此，电阻RS的阻值为2.5×10-3Ω≤RS≤
0.04Ω；具体地，取电阻RS的阻值为0.01Ω；
步骤102、根据t传输＜t响应选取光耦隔离器U1，并根据选取的光耦隔离器U1选取供电
电源的输出电压VCC，其中，t传输为光耦隔离器U1的信号传输时间，t响应为故障响应时间；即选
取光耦隔离器U1时，要使选取的光耦隔离器U1的信号传输时间小于要求的故障响应时间，
这样，待检测电路出现故障后，光耦隔离器U1能够快速导通，几乎能够实现对故障信号的无
延时传输；
本实施例中，t响应为500ns～700ns，选取光耦隔离器U1的型号为6N137，t传输为30ns，
VCC为5V；
步骤103、根据0＜Vref1-VD＜10V选取第一参考电源的输出电压Vref1，其中，VD为光
耦隔离器U1的输入端固有正向压降；在步骤102中选取好光耦隔离器U1后，光耦隔离器U1的
输入端固有正向压降VD随之确定，由公式可知，在VD和电阻R2的阻值一定
时，电阻R2上的功耗PR2随着基准电压Vref1的增大而增大，因此为降低功耗，第一参考电源的
输出电压Vref1要大于VD且与VD相差不是很大，因此取0＜Vref1-VD＜10V；
本实施例中，VD为1.4V，选取Vref1为2.5V；
步骤104、根据t比较＜t传输选取比较器U2，其中，t比较为比较器U2的响应时间；即选取
比较器U2时，要使选取的比较器U2的响应时间小于光耦隔离器U1的信号传输时间，对于光
耦隔离器U1的输出信号，要求比较器U2尽快响应；
本实施例中，t传输为30ns，选取比较器U2的型号为TLV3501，t比较为4.5ns；
步骤105、根据0＜VCC-Vref2＜10V选取第二参考电源的输出电压Vref2；根据比较器
工作原理，当VCC＞Vref2时，比较器U2输出为低电平，因此要根据VCC合理选择第二参考电源的
输出电压Vref2，使Vref2满足0＜VCC-Vref2＜10V；
本实施例中，选取Vref2为2.5V；
步骤106、根据公式选取电阻R3的阻值，其中，IG为光耦隔离器U1
的最大灌电流；Iib为比较器U2的输入偏置电流；其中，即要使流过电阻R3的电
流大于比较器U2的输入偏置电流的100倍，这样就能够保证比较器U2的正常工作；
本实施例中，光耦隔离器U1的型号为6N137，因此光耦隔离器U1的最大灌电流IG为
13mA，比较器U2的型号为TLV3501，因此比较器U2的输入偏置电流Iib为250nA，根据公式
可得385Ω≤R3＜200kΩ，为降低整个电路的功耗，选取电阻R3的阻值为
4.7kΩ；
步骤107、根据公式选取电阻R1和电阻R2的阻值；其中，
IFmax为流过光耦隔离器U1的最大输入电流，VRS1为待检测电路未出现过流故障时电阻RS两
端的电压，VRS2为待检测电路出现过流故障时电阻RS两端的电压；
本实施例中，VD为1.4V，Vref1为2.5V，IFmax为15mA，VCC为5V，Vref2为2.5V，VRS1为0.1V，
VRS2为0.11V；根据公式计算得到根据公式计算
得到R1+R2＞167Ω，结合得到R2＞74Ω，R1＞93Ω；根据公式
计算得到R1＜188Ω，结合得到R2＜148Ω；因此可以取
R1为185Ω，R2为145Ω。
步骤108、根据1kΩ≤R4＜10kΩ选取电阻R4的阻值；
本实施例中，选取电阻R4的阻值为4.7kΩ；
步骤二、连接光耦隔离器U1、比较器U2、电阻RS、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、
第一参考电源和第二参考电源，其具体过程如下：
步骤201、连接电阻R1的一端和电阻RS的一端，并引出导线，作为所述过流或短路
故障信号隔离检测电路3的正极电压输入端IN+；
步骤202、将电阻RS的另一端接到光耦隔离器U1的阴极，并引出导线，作为所述过
流或短路故障信号隔离检测电路3的负极电压输入端IN-；
步骤203、将电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接后接到光耦隔离器U1的阳极，将
电阻R2的另一端接到第一参考电源的输出端Vref1；
步骤204、将电阻R3的一端与光耦隔离器U1的集电极连接后接到比较器U2的反相
输入端，将电阻R3的另一端接到供电电源的输出端VCC；
步骤205、将光耦隔离器U1的发射极接地；
步骤206、将比较器U2的同相输入端接到第二参考电源的输出端Vref2；
步骤207、将电阻R4的一端与比较器U2的输出端连接后引出导线，作为所述过流或
短路故障信号隔离检测电路3的输出端Vout，将电阻R4的另一端接到供电电源的输出端
VCC。
本发明的过流或短路故障信号隔离检测电路3，型号为6N137光耦隔离器U1用于实
现过流或短路信号隔离传输，由于光耦隔离器U1的输入端存在一固有的正向压降，为确保
通过较小采样电阻RS获得的故障电压信号正比于电流信号能通过光耦隔离器U1顺利传输，
引入第一参考电源，并将第一参考电源的输出电压Vref1与采样电流信号分别通过电阻R2及
R1进行叠加后作用于光耦隔离器U1。
电路正常工作时，叠加在光耦隔离器U1输入端上的电压未能达到光耦隔离器U1的
固有正向压降，不足以使光耦隔离器U1导通，因此，比较器U2的反相输入端电压值接近供电
电源的输出电压VCC，由于比较器U2的同相输入端电压Vref2<VCC，因此比较器U2输出低电平。
电路出现过流或短路故障时，电阻RS上产生的电压信号变大，与第一参考电源的
输出电压Vref1叠加后大于光耦隔离器U1的固有正向压降，光耦隔离器U1导通，使得比较器
U2的反相输入端电压值接近零，而小于比较器U2的同相输入端电压Vref2，因此比较器U2输
出高电平。
例如，如图2所示，将本发明的过流或短路故障信号隔离检测电路3应用在BUCK开
关变换电路1中，BUCK开关变换电路1包括PMOS开关管Vt1P沟道增强型MOSFET开关管、续流
二极管D1、储能电感L1和输出滤波电容C1，PMOS开关管Vt1的栅极与PWM控制与驱动电路2的
输出端连接，续流二极管D1的阳极接地，续流二极管D1的阴极和电感L1的一端均与PMOS开
关管Vt1的漏极相接，电感L1的另一端为BUCK开关变换电路1的正极电压输出端Vo+，输出滤
波电容C1的正极与BUCK开关变换电路1的正极电压输出端Vo+相接，输出滤波电容C1的负极
为BUCK开关变换电路1的负极电压输出端Vo-且接地；负载RL的一端与BUCK开关变换电路1
的正极电压输出端Vo+连接，本发明的过流或短路故障信号隔离检测电路3的正极电压输入
端IN+与负载RL的另一端连接，本发明的过流或短路故障信号隔离检测电路3的负极电压输
入端IN-与BUCK开关变换电路1的负极电压输出端Vo-连接。
以上应用实例的工作原理为：
BUCK开关变换电路1正常工作时，叠加在光耦隔离器U1输入端上的电压未能达到
光耦隔离器U1的固有正向压降，不足以使光耦隔离器U1导通，此时，比较器U2的反相输入端
电压值接近供电电源的输出电压VCC，大于比较器U2的同相输入端的电压Vref2，比较器U2输
出低电平，BUCK开关变换电路1和PWM控制与驱动电路2正常工作。
BUCK开关变换电路1出现过流或短路故障时，随着输出电流变大，电阻RS上产生的
电压信号变大，与第一参考电源的输出电压Vref1叠加后大于光耦隔离器U1的固有正向压
降，光耦隔离器U1导通，使得比较器U2的反相输入端电压值接近零，而小于比较器U2的同相
输入端电压Vref2，比较器U2输出高电平，该高电平作用于PWM控制与驱动电路2，PWM控制与
驱动电路2控制PMOS开关管Vt1，使BUCK开关变换电路1停止工作，输出为零，确保BUCK开关
变换电路1不因过流或短路故障而损坏。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明
技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技
术方案的保护范围内。