一種直流穩(wěn)壓源及漏電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

【摘要】本文直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了較低的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，較大的輸入電壓范圍（5.5V～25V）。采用LM317一級(jí)穩(wěn)壓， LT1529可調(diào)輸出二級(jí)穩(wěn)壓，通過(guò)控制繼電器切換實(shí)現(xiàn)分級(jí)穩(wěn)壓，額定輸出功率可達(dá)到1A。功率測(cè)量使用采樣電阻，其兩端電壓經(jīng)差分運(yùn)放AD623放大后進(jìn)行單片機(jī)AD采樣與功率轉(zhuǎn)換、顯示。漏電保護(hù)電路的設(shè)計(jì)采用純模擬方法，精密電阻分壓后經(jīng)AD623差分放大，接入LM311比較器，再接繼電器自鎖模，即可精確實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)功能，動(dòng)作電流誤差的絕對(duì)值小于1%，漏電保護(hù)電路功耗低于20mW。

【關(guān)鍵詞】流穩(wěn)壓電源；漏電保護(hù)；LT1529；分級(jí)穩(wěn)壓

1.引言

隨著電子設(shè)備向高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的方向發(fā)展，對(duì)電子設(shè)備的供電電源提出了高的要求。直流穩(wěn)壓電路是后級(jí)的功能電路正常穩(wěn)定工作的前提，一種寬輸入電壓范圍、可調(diào)輸出電壓、低的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，安全可靠的直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文設(shè)計(jì)了一種較低的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，較大的輸入電壓范圍，輸出電壓可調(diào)，自帶漏電保護(hù)裝置的直流穩(wěn)壓電源，具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。

2.總體設(shè)計(jì)方案

為了達(dá)到較低的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，本設(shè)計(jì)中前端穩(wěn)壓電路采用LT1529可調(diào)輸出電壓穩(wěn)壓芯片為主穩(wěn)壓芯片，該芯片額定輸出電流最高可達(dá)3A，可接受最低輸入電壓5.5V，性能出色，在輸入電壓大于15V時(shí)，自動(dòng)切換為兩級(jí)穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)，避免LT1529輸入電壓過(guò)高。本設(shè)計(jì)使用AD623差分儀表運(yùn)算放大器對(duì)采樣電阻上的壓降進(jìn)行放大，使用MSP430F149最小系統(tǒng)板來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓采集、功率計(jì)算，并使用1602顯示功率和電流。后級(jí)的漏電保護(hù)電路采用AD623差分儀表運(yùn)算放大器對(duì)兩個(gè)采樣電阻上的電壓進(jìn)行差分放大實(shí)現(xiàn)漏電檢測(cè)，使用LM311電壓比較器控制繼電器自鎖電路控制輸出電路通斷。電路由純模擬元件構(gòu)成，具有精度高功耗低的特點(diǎn)。

3.前端穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

3.1 前端穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

LT1529可調(diào)輸出為3.3V～14V，額定輸出電流最高達(dá)3A，但輸入電壓最大僅為+15V。為了同時(shí)滿(mǎn)足高壓穩(wěn)壓和低壓穩(wěn)壓，采用分級(jí)穩(wěn)壓的方案，分級(jí)切換控制電路采用遲滯比較器連接電磁繼電器控制穩(wěn)壓，輸入低于14.5V時(shí)，直接使用LT1529穩(wěn)壓，高于14.5V時(shí)先用LM317穩(wěn)壓，再經(jīng)過(guò)LT1529穩(wěn)壓輸出。本文采用LM317做一級(jí)穩(wěn)壓，額定輸出為1.5A。前端穩(wěn)壓模塊分級(jí)切換功能使用比較器LM311實(shí)現(xiàn)。

3.2 功率測(cè)量與顯示電路

使用差分運(yùn)放放大采樣電阻兩端電壓，經(jīng)AD采樣、單片機(jī)計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量與顯示功率，差放抗干擾，能準(zhǔn)確的放大采樣信號(hào)，因此可令采樣電阻阻值較小，不至于影響輸出電壓。由于電源為正向單電源，不能使用一般的雙電源差分運(yùn)放，采用AD623，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定。使用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)1602進(jìn)行功率值的顯示。

前端可調(diào)穩(wěn)壓電路實(shí)際設(shè)計(jì)如圖1所示。分5個(gè)模塊，一級(jí)穩(wěn)壓電路、級(jí)聯(lián)切換電路、主穩(wěn)壓電路、獨(dú)立穩(wěn)壓供電電路和功率測(cè)量電路。其中，獨(dú)立穩(wěn)壓電路供給級(jí)聯(lián)切換電路，使其在切換前后都能穩(wěn)定工作。

4.后端漏電保護(hù)電路設(shè)計(jì)

4.1 漏電檢測(cè)分析

漏電保護(hù)常用的檢測(cè)方法為采樣電阻采樣測(cè)電流差異，漏電要精準(zhǔn)測(cè)量出30mA量級(jí)的電流，這要求檢測(cè)電路精準(zhǔn)、抗噪。本文使用采樣電阻和差分運(yùn)放對(duì)漏電流差值進(jìn)行計(jì)算。上下兩端使用相同的采樣電阻，對(duì)采樣差值進(jìn)行差分放大，即可精準(zhǔn)檢測(cè)到漏電流。之后做比較，繼電器控制線(xiàn)路通斷。

4.2 關(guān)斷保護(hù)電路分析設(shè)計(jì)

關(guān)電保護(hù)電路采用自鎖電路，控制繼電器切斷通路，如圖2中的關(guān)斷保護(hù)電路：Vctl為前級(jí)比較器輸出的控制電壓，當(dāng)漏電達(dá)到閾值時(shí)，Vctl為高電平，控制C9013三極管的集射極導(dǎo)通，使C9012導(dǎo)通，繼電器動(dòng)作使線(xiàn)路關(guān)斷。此時(shí)反饋電阻Rb12將C9013基極拉高，保持C9013通路，實(shí)現(xiàn)自鎖功能。自鎖的解除需要斷電，所以關(guān)斷電源后，可以解除自鎖。

綜上所述，后端漏電保護(hù)電路實(shí)際設(shè)計(jì)電路圖如圖2所示。

后級(jí)的漏電保護(hù)電路分為三個(gè)模塊，由AD623差分儀表運(yùn)算放大器和兩組精密采樣電阻組成的漏電差分檢測(cè)電路，由LM311電壓比較器組成的漏電流閾值判定電路，和閾值判定電路控制的繼電器自鎖電路組成的關(guān)電保護(hù)電路。電路由純模擬元件構(gòu)成，具有精度高功耗低的特點(diǎn)。

5.系統(tǒng)調(diào)試和測(cè)試分析

5.1 測(cè)試方法

（1）RL阻值固定為5Ω。當(dāng)直流輸入電壓在7～25V變化時(shí)，測(cè)量輸出端電壓變化；連接方式不變，RL阻值固定為5Ω。當(dāng)直流輸入電壓在5.5～7V變化時(shí)，測(cè)量輸出電壓；

（2）轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接輸出，輸入電壓固定在7V，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻阻值，測(cè)量輸出電壓。連接方式不變，直流輸入電壓固定在7V，分別聯(lián)結(jié)5歐姆和500歐姆電阻，測(cè)量輸出電壓。

（3）直流輸入電壓固定在20V，聯(lián)結(jié)500歐姆電阻，調(diào)節(jié)前端控制輸出電壓的電阻，測(cè)量輸出電壓。

（4）設(shè)置前端輸出5V，將后級(jí)漏電保護(hù)電路接上，輸出接20Ω負(fù)載，測(cè)量輸出電壓。將200歐姆滑動(dòng)變阻器和電流表接入電路，調(diào)節(jié)電阻從26mA漏電流增大測(cè)關(guān)斷電流。

5.2 測(cè)試結(jié)果

6.結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓源及漏電保護(hù)裝置達(dá)到較高性能，所有指標(biāo)均達(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了較低的電壓調(diào)整率（S-U≤1%）和負(fù)載調(diào)整率（SL≤1%），較大的輸入電壓范圍（5.5V～25V），可調(diào)輸出電壓（3.3V～14V），額定功率可達(dá)到1A，漏電保護(hù)功能靈敏（動(dòng)作電流誤差的絕對(duì)值<1%），功耗低（<20mW）的各種要求

參考文獻(xiàn)

[1]劉京南編著.電子電路基礎(chǔ)[M].（第2版）電子工業(yè)出版社（第2版），2003.

[2]周加超.直流穩(wěn)壓電源的演變過(guò)程[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2005（3）.

[3]程杰寶.實(shí)用高效率直流穩(wěn)壓電源[J].實(shí)用電子制作，2003.

[4]李洋主編.現(xiàn)在電子技術(shù)與創(chuàng)新[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

作者簡(jiǎn)介：陳章余（1981—），男，江蘇新沂人，碩士，講師，南京工程高等職業(yè)學(xué)校電子工程系系副主任，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、電工電子。