N沟道MOSFET过流保护电路是功率系统的安全核心，通过实时监测漏极电流并在超限时快速关断MOS管，防止因热失效导致的器件烧毁。主流方案涵盖分流电阻检测、Rds(on)检测、退饱和检测和霍尔传感四大方法，核心在于检测精度、响应速度与功耗的平衡。
一、过流保护的核心原理与必要性
N-MOS过流的本质是导通电流超过器件SOA（安全工作区）限制，导致结温超过150℃而烧毁。典型场景包括负载短路、过驱动不足和散热失效。保护电路必须在微秒级（通常小于10μs）检测到过流并关断MOS，将故障能量限制在毫焦级。
二、四大主流检测方法
1. 分流电阻检测法原理是在MOS源极串联精密检流电阻Rs，测量其压降Vsense = Id × Rs，经运放放大后与基准电压比较。Rs取值公式为Rs = Vref / I_trip，例如Vref=0.1V、过流阈值3.3A时，Rs=0.03Ω。功耗计算公式为P_Rs = I_nom² × Rs，2A电流下Rs=0.03Ω的功耗为0.12W，需选用2W以上功率电阻。该方法优势是精度高（±5%），不受MOS参数离散性影响，但增加串联电阻会导致效率损失，大电流时功耗显著。
2. Rds(on)检测法利用MOS导通电阻本身作为检流元件，监测Vds压降。正常时Vds = Id × Rds(on)，过流时Vds飙升。集成方案如MIC24053内部集成比较器，当低侧MOS导通期间Vds > 0.1V（对应14A），立即关闭高侧MOS并触发打嗝模式。该方法优势是无额外电阻、效率高、成本低，但Rds(on)离散性大，精度约±15%，且随温度变化需补偿。
3. 退饱和检测法基于MOS正常饱和导通时Vds应小于2V的原理，负载短路时MOS退出饱和区进入线性区，Vds≈Vbus，检测该电压跃升触发保护。响应时间需小于1μs，避免短路能量超标。LTC1155驱动器内置此功能，可在1μs内关断栅极。该方法优势是响应极快，直接检测故障状态，但无法区分正常负载波动与短路，需配合延迟电路防止误触发。
4. 霍尔电流传感法采用霍尔IC非接触检测MOS漏极电流磁场，输出线性电压信号Vout = k·Id。灵敏度k为10-100mV/A，带宽大于100kHz，隔离电压大于3kV。优势是电气隔离、无损耗、精度高（±1%），但成本高（霍尔IC约10元）、体积大，适合100A以上大功率系统。
三、保护执行策略
1. 立即硬关断检测到过流后，驱动芯片通过大电流下拉管（如1.5A灌电流）在1μs内将栅极电荷泄放，强制MOS关断。适用于硬短路，但可能因di/dt过大产生高压尖峰。
2. 延迟关断与打嗝模式对于大电容或灯负载，需延迟60-180ms允许负载启动。通过RC延迟电路实现，若过流持续超过延迟时间，关断MOS并进入打嗝模式，每隔数百ms重启一次尝试恢复，避免持续大电流。
3. 软关断高端驱动芯片采用受控放电速率，减缓关断速度，降低EMI和电压尖峰，关断时间从50ns延长至200ns。
四、典型电路实现方案
方案一：运放比较器分立方案适用于中小功率（小于50A）成本敏感场景，核心元件为LM358运放+分流电阻+驱动IC。响应时间5-10μs。设计要点包括运放电源需高于Vref至少2V，基准电压Vref需用TL431等精密稳压源（温漂小于50ppm/℃），并增加迟滞网络（正反馈电阻）防止检测阈值附近振荡。
方案二：集成驱动IC方案（LTC1155）适用于高端驱动和快速保护场景，内置电荷泵、过流比较器、欠压锁定和短路保护，响应时间小于1μs。实现方式为检测电阻Rs串联在MOS源极，Rs两端接至IC的SENSE+和SENSE-，内部比较器阈值100mV，过流时直接关闭电荷泵，栅极通过1.5A下拉管快速放电。支持电阻性、电感性负载，对容性负载需外接RC延迟。
方案三：电流模式PWM控制器（CNS120）适用于升压/降压转换器，通过外接CS电阻检测电流，IC内部比较器在过流时关闭DRV输出。过流保护阈值I_oc = 0.18V / Rcs，检测电阻功耗P_Rcs = I_nom² × Rcs，需加RC低通滤波器（100Ω+1nF）抑制开关噪声。
五、关键参数设计计算
1. 检测电阻Rs设计目标为功耗小于1%额定功率，电压降Vsense=0.1-0.5V。公式Rs = Vsense / I_overload。实例为50A系统设过流阈值60A、Vsense=0.1V时，Rs=0.1V/60A=1.67mΩ，功耗P=50²×0.00167=4.2W，需选5W大功率电阻。
2. 响应时间设计要求关断时间小于SOA耐受时间。计算公式T_off = Qg / I_sink + T_delay。实例为IRF540N的Qg=70nC、驱动下拉电流1.5A时，T_off≈70nC/1.5A≈47ns，加上运放响应2μs，总响应小于5μs，远小于SOA的10μs耐受时间。
3. 延迟RC设计（打嗝模式）公式RC = -t / ln[1 - Vsense/(Rs·I_max)]。实例为允许短路62.5A持续10ms、Vsense=0.1V、Rs=0.03Ω时，RC≈-0.01/ln[1-0.1/(0.03×62.5)]≈182ms，实际取60-100ms以留裕量。
六、工程实践要点
PCB布局：检流电阻走线采用开尔文接法，分离功率与检测路径，避免大电流压降干扰。Rs两端检测线需平行且等长，长度小于20mm。
抗干扰措施：运放输入端加RC滤波（100Ω+1nF），抑制开关噪声尖峰。比较器输出加上拉电阻确保驱动电平可靠。
温度补偿：若采用RDS(on)检测，需监测MOS壳温，在高温时按比例降低过流阈值，否则保护失效。
测试验证：必须通过双脉冲短路测试，验证在50%额定电压下，短路电流在5μs内被切断，MOS壳温低于50℃。
冗余设计：在电动汽车等安全关键场景，需配置两级保护，一级为快速过流关断（小于1μs），二级为慢速热保护（大于10ms），形成冗余。
一句话总结：N-MOS过流保护的核心是"快速检测、快速关断、精准阈值"，分流电阻法精度高但损耗大，RDS(on)法简洁但精度低，集成驱动IC是高性能首选。设计时需精确计算检测电阻和响应时间，并通过短路测试验证SOA余量。