N沟道MOSFET过流保护电路是功率系统的安全防线，通过实时监测漏极电流并在超限时快速关断MOS管，防止器件因热失效而烧毁。主流方案涵盖分立元件运放检测与集成驱动IC保护两大路线，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>150℃而烧毁。典型场景包括：
负载短路：电机堵转、输出电容击穿，电流可达额定值10倍以上
过驱动不足：栅压Vgs过低，MOS工作在线性区而非饱和区，功耗剧增
散热失效：散热器脱落，热量无法导出，Rds(on)温度系数正反馈加剧发热
保护电路需在微秒级（通常<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.
原理：在MOS源极串联精密检流电阻Rs（毫欧级），测量其压降Vsense = Id × Rs，经运放放大后与基准电压比较。
电路实现：
漏极 → 负载 源极 → Rs → GND Rs两端 → 运放反相端 基准Vref → 运放同相端 运放输出 → 驱动芯片SD/EN引脚
参数设计：
Rs取值：Rs = Vref / I_trip。若Vref=0.1V，过流阈值I_trip=3.3A，则Rs = 0.03Ω
功耗：P_Rs = I_nom² × Rs。2A电流下，Rs=0.03Ω功耗0.12W，需2W以上功率电阻
响应速度：运放带宽需>1MHz，确保10μs内响应
优势：精度高（±5%），不受MOS参数离散性影响劣势：增加串联电阻，导致效率损失，大电流时功耗显著
2.
原理：利用MOS导通电阻Rds(on)本身作为检流元件，监测Vds压降。正常时Vds = Id × Rds(on)（如2A×0.05Ω=0.1V），过流时Vds飙升。
集成方案实现： MIC24053等电流模式控制器内部集成比较器，当低侧MOS导通期间，若Vds > 0.1V（对应14A），立即关闭高侧MOS并触发hiccup模式。
参数设计：
Rds(on)选取：需选低温漂、高精度的MOS，Rds(on)偏差<±10%
温度补偿：Rds(on)正温度系数（+0.5%/℃），过流阈值需随温度调整，否则高温下保护失效
优势：无额外电阻，效率高，成本低劣势：Rds(on)离散性大，精度约±15%，且随温度变化
3.
原理：MOS正常饱和导通时Vds应<2V。若负载短路，MOS退出饱和区进入线性区，Vds≈Vbus，检测该电压跃升触发保护。
电路实现：
漏极 → 分压电阻 → 比较器输入 比较器基准 → 2V 比较器输出 → 驱动芯片关断输入
响应时间：需<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。
优势：响应极快，直接检测故障状态劣势：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.
原理：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。
电路实现： 霍尔芯片套在漏极PCB走线上方，输出Vout = k·Id，送入MCU ADC或比较器。
参数：灵敏度k=10-100mV/A，带宽>100kHz，隔离电压>3kV。
优势：电气隔离，无损耗，精度高（±1%）劣势：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.
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.
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：
比较器输出 → RC网络 → 驱动芯片
若过流持续超过延迟时间，关断MOS并进入hiccup：每隔数百ms重启一次，尝试恢复，避免持续大电流。
3.
高端驱动芯片（如LTC1155）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：中小功率（<50A），成本敏感场景核心元件：LM358运放+分流电阻+驱动IC响应时间：5-10μs
设计要点：
运放电源需高于Vref至少2V，确保比较器输出饱和
基准电压Vref需用TL431等精密稳压源，温漂<50ppm/℃
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：高端驱动，快速保护特点：内置电荷泵、过流比较器、欠压锁定和短路保护响应时间：<1μs
实现方式：
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：升压/降压转换器原理：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
参数计算：
过流保护阈值：I_oc = 0.18V / Rcs
检测电阻功耗：P_Rcs = I_nom² × Rcs
滤波电路：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：功耗<1%额定功率，电压降Vsense=0.1-0.5V公式：Rs = Vsense / I_overload
实例：50A系统，设过流阈值60A，Vsense=0.1V 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 < SOA耐受时间计算：T_off = Qg / I_sink + T_delay
实例：IRF540N的Qg=70nC，驱动下拉电流1.5A，则T_off = 70nC / 1.5A ≈ 47ns。加上运放响应2μs，总响应<5μs，远小于SOA的10μs耐受时间。
3. 延迟RC设计（hiccup模式）
公式：RC = -t / ln[1 - Vsense/(Rs·I_max)]实例：允许短路62.5A持续10ms，Vsense=0.1V，Rs=0.03Ω，则 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<20mm。
抗干扰措施：在运放输入端加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<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（<1μs），二级为慢速热保护（>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