智能风扇驱动板电流采样与过流堵转保护电路设计

电流采样是智能风扇驱动板上最基础也最容易被忽视的一环。与水泵重载、电动工具冲击负载不同，风扇属于轻载长时运行负载，额定相电流往往只有 0.2A～1.5A，但一旦扇叶被异物卡住或跌落停转，堵转电流会在短时间内窜升至额定值的 3～5 倍，若不能快速切断，MOSFET 与绕组将在数十秒内过热损毁。一套适配风扇工况的电流采样与过流堵转保护电路，既要在小电流下提供足够的信噪比以支撑转速闭环与风感算法，又要在故障发生时以微秒级速度关断功率桥。本文围绕低边采样拓扑、信号调理、ADC 同步采样、硬件快速关断以及堵转判据与恢复策略，梳理智能风扇驱动板电流检测路径的设计要点。

智能风扇马达驱动板

一、采样拓扑与风扇工况的匹配

风扇驱动板母线电压多为 12V 或 24V，额定功率 3W～25W，对应相电流 0.2A～1.5A，堵转峰值可达 5A～8A。采样方案的选择需结合这一电流区间：高边采样虽可在停机时避免共模干扰，但需要高共模抑制比的精密运放，成本偏高；霍尔电流传感器体积大、价格高，在小功率风扇上不划算。因此风扇驱动板普遍采用低边采样 —— 在三相下桥臂源极与地之间串入采样电阻，利用下管导通期间绕组电流流经电阻的原理获取电流信号。该方案共模电位接近地，对运放要求宽松、BOM 成本低，恰好匹配风扇轻载、低成本的产品定位。六步换相方案可在母线负端共用一颗采样电阻；若采用 FOC 或正弦波驱动需要三相独立电流，则在每相下桥臂各布置一颗采样电阻。

二、采样电阻参数与布局要点

采样电阻阻值需在灵敏度与损耗之间折中。风扇电流小，若电阻取过小则 mV 级信号难以分辨；取过大则自身发热与压降损耗上升。典型取值为 5mΩ～20mΩ：以额定相电流 1A、堵转 8A 计算，10mΩ 电阻上的压降分别为 10mV 与 80mV，经后级放大后可充分利用 ADC 量程，堵转时功耗约 0.64W，按 2 倍降额选额定功率 1W～2W 的合金贴片电阻即可。电阻温度系数宜控制在 ±50ppm/℃以内，避免轻载时自热漂移影响采样精度。PCB 布局上必须采用开尔文连接，将放大电路的差分输入直接就近焊接在电阻焊盘内侧，杜绝大电流铜箔上的走线压降被误读为电流信号；采样回路的地应与功率地单点连接，防止开关大电流在地线上产生的压差串入采样。

三、差分放大与信号调理

采样电阻上的小信号需经放大后送入 MCU ADC。风扇驱动板常用轨到轨运放搭建差分放大电路，增益取值需兼顾轻载分辨率与堵转量程：若取增益 50 倍，10mΩ 电阻在额定 1A 下输出 50mV×50＝2.5V，在堵转 8A 下输出 4V，恰好匹配 3.3V 基准的 ADC 并留有余量；轻载 0.2A 时输出 0.5V，仍有足够分辨率支撑电流闭环。放大前端增加 RC 低通滤波，截止频率取 PWM 开关频率的 1/5～1/10，即 2kHz～4kHz，用于抑制开关尖峰与换相振铃。由于风扇 PWM 频率高达 16kHz～24kHz，运放的压摆率与带宽必须足够，否则高频纹波会被压缩，导致采样值偏低。输入端应增加限流电阻与钳位二极管，吸收 MOSFET 开关瞬间采样电阻上的数伏尖峰，保护运放输入端。

四、ADC 同步采样与控制环路配合

电流信号进入 MCU 后，采样时刻决定采样质量。风扇驱动板普遍采用 PWM 触发 ADC：将转换启动点设在 PWM 周期中点、下管导通最稳定的区间采样，避开开关瞬间的 di/dt 尖峰。支持同步采样的 MCU 可在一个 PWM 周期内同时完成母线电压与电流采样，数据直接供转速环与保护判定使用。转速环 PI 调节通常每 2ms～5ms 更新一次目标占空比，电流环则每 50μs～100μs 执行一次，二者速度相差一个数量级，保证电流先被约束再参与转速调节。软件侧对采样值做滑动平均或中值滤波，剔除单次毛刺，防止偶发噪声误触保护；同时保留原始峰值通路供硬件比较器使用，不能因为软件滤波而拖慢故障响应。

五、硬件快速关断与堵转判据、恢复策略

风扇保护需分层设计。第一层为硬件过流快速关断：放大后的电流信号送入高速比较器，参考电压对应硬件过流阈值（典型取额定电流的 4～5 倍，约 6A～8A），一旦超限，比较器输出直接封锁栅极驱动芯片使能端，全程 1μs～5μs 内切断功率桥，不经过 MCU，响应确定性极高。第二层为堵转判据：风扇堵转后转子停转、反电动势消失，相同占空比下相电流会比正常运转高出 3 倍以上；连续检测到母线电流超过堵转阈值（约 4A～5A）并持续 300ms～800ms，即可判定堵转。若采用霍尔方案，还可辅以 "给定输出已加但霍尔状态长时间不跳变" 作为第二判据。动作方式为立即封锁 PWM 并记录故障码；恢复策略采用重试计数机制，允许自动重试启动 3 次～5 次、每次间隔 5 秒，仍失败则进入锁死状态，需断电重启。调试时先标定采样增益与 ADC 偏移，再逐级验证比较器阈值与软件延时，最后用手动刹停扇叶模拟堵转，确认保护动作可靠、无误触发。

电流采样与过流堵转保护电路是智能风扇驱动板的安全底线。低边采样电阻的开尔文布局、差分放大的增益匹配、PWM 同步采样的时序精度，以及硬件快速关断与软件堵转判据的分层冗余，共同保证了风扇在长时轻载运行中既平稳安静，又在异物卡转等异常瞬间可靠自保。本文来自深圳市艾毕胜电子有限公司，提供麦歌恩磁性编码器芯片和无刷马达驱动板定制服务

审核编辑 黄宇