直流穩(wěn)壓電源及漏電保護裝置設(shè)計

寸彥萍, 楊長保

(1. 云南開放大學(xué) 機電工程學(xué)院, 云南 昆明 650223；2. 吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 吉林 長春 130026)

直流穩(wěn)壓電源及漏電保護裝置設(shè)計

寸彥萍1, 楊長保2

(1. 云南開放大學(xué) 機電工程學(xué)院, 云南 昆明 650223；2. 吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 吉林 長春 130026)

提供一種線性直流穩(wěn)壓電源及漏電保護裝置的設(shè)計方法,以芯片LM2577、LM2576和單片機為核心制作DC—DC轉(zhuǎn)換器,提供額定輸出電壓為5 V±0.05 V、額定輸出電流為1 A的直流穩(wěn)壓電源。可以實現(xiàn)直流電壓輸入5.5～25 V,輸出電壓保持在 5 V±0.05V,電壓調(diào)整率SU≤1%；當(dāng)輸入電壓為7 V,直流穩(wěn)壓電源輸出電流由1 A減小到0.01 A,負(fù)載調(diào)整率SL≤1%,并能夠?qū)崿F(xiàn)功率測量與實時顯示,能夠?qū)崿F(xiàn)對模擬漏電支路的漏電保護動作。

直流穩(wěn)壓電源； DC—DC轉(zhuǎn)換器； 漏電保護； LM2576/7； 單片機

在現(xiàn)代生活中,各種高科技產(chǎn)品對電源技術(shù)性能指標(biāo)的要求越來越高,為了提高電源的使用性能(如可靠性、安全性、可維修性、高的功率密度、高的性價比、環(huán)境適應(yīng)性等)和提高電源的電氣性能(如源電壓特性、效率、源效應(yīng)、負(fù)載效應(yīng)、輸出電壓電流的紋波與噪聲等),更好地為生產(chǎn)、生活服務(wù),目前電源技術(shù)已經(jīng)朝智能化、數(shù)字化、模塊化和綠色化方向發(fā)展,它已經(jīng)融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等領(lǐng)域[1],使產(chǎn)品更環(huán)保、更節(jié)能,因此也擁有廣闊的發(fā)展前景。通過研究已有的一些設(shè)計[2-5],本文提出了一種基于線性直流穩(wěn)壓電源及漏電保護裝置的設(shè)計方法。

1 各模塊設(shè)計與選擇

1.1 直流穩(wěn)壓電源模塊方案選擇

采用LM2577升壓開關(guān)穩(wěn)壓器芯片與LM2576降壓開關(guān)穩(wěn)壓器芯片組合的升壓降壓穩(wěn)壓器,輸出電壓為5 V。LM2577可調(diào)升壓開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部具有過流、低壓、溫度保護功能,輸入電壓范圍為3.5～40.0 V,以電流模式工作提高了線性調(diào)節(jié)、電流限制、檢測電阻的靈敏度等功能；具有軟啟動功能,避免過大的啟動電流損壞電路,最大輸出電流為3 A(最大電壓為65 V),LM2577可提供5 V及可調(diào)輸出電壓范圍為1.23～37 V等多個電壓檔次。LM2576輸入電壓為5.0～40 V,最大輸出電流3 A。

1.2 微處理器的選擇

微處理器作為本裝置功率測量與顯示模塊的核心部件,本設(shè)計采用單片機作為控制系統(tǒng)的核心部件,它除了具備微機CPU的數(shù)值計算功能外,還具有靈活強大的控制功能,以便實時檢測系統(tǒng)的輸入量、控制系統(tǒng)的輸出量,實現(xiàn)自動控制。

1.3 顯示電路的設(shè)計

采用液晶顯示器顯示,除了簡單、普通顯示外還能顯示特殊的字符,而且功耗也比數(shù)碼管的要低,更有利于節(jié)約能源。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比,不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多,且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。為了達(dá)到3位數(shù)字顯示(最大顯示數(shù)為999),能自動顯示小數(shù)點和單位，所以本系統(tǒng)選用性價比很高的12864液晶模塊。

1.4 A/D模塊選擇方案

由于本系統(tǒng)對電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率要求較高,同時為了提高功率測量及顯示部分的分辨率,本系統(tǒng)采用TI公司的TLC2543[6],它是一種 12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器,使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu),能夠節(jié)省51系列單片機I/O資源,還可以直接與帶SPI接口的器件進行連接,不需要其他外部邏輯,且價格適中,分辨率較高。

1.5 漏電保護裝置的選擇方案

本系統(tǒng)采用模擬電路方式實現(xiàn),線路比較簡單,功耗低,可以通過采樣得到漏電電流,再通過放大比較電路獲得驅(qū)動電平,使漏電保護繼電器動作,從而切斷負(fù)載。該方案具有簡單和節(jié)能、性價比、低功耗等優(yōu)點。

2 系統(tǒng)設(shè)計思路

本系統(tǒng)(設(shè)計框圖見圖1)硬件主要包含4個模塊:微控制器模塊、直流穩(wěn)壓電源調(diào)整模塊、漏電保護控制模塊以及液晶顯示模塊。微控制器選用 STM32,電源額定輸出電壓5 V ,微控制器根據(jù)采樣到的電壓計算出功率,并實時顯示穩(wěn)壓電源的輸出功率及漏電電流。負(fù)載電流超過30 mA時漏電保護裝置動作,轉(zhuǎn)換開關(guān)S接2端的回路與直流穩(wěn)壓源斷開,負(fù)載電阻RL兩端電壓為0 V并保持自鎖。排除漏電故障后,按

下K恢復(fù)輸出。圖1中R為漏電電源調(diào)整電阻，K為漏電保護電路復(fù)位按鈕。S打到1，系統(tǒng)作直流穩(wěn)壓電源使用；S打到2，系統(tǒng)作為漏電保護的直流穩(wěn)壓電源使用。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

3 單元電路設(shè)計

3.1 DC—DC轉(zhuǎn)換器

LM2577升壓開關(guān)穩(wěn)壓器芯片與LM2576降壓開關(guān)穩(wěn)壓器芯片組合的升壓降壓穩(wěn)壓器,是額定輸出電壓為5 V、額定輸出電流為1 A的直流穩(wěn)壓電源。原理框圖見圖2。

圖2 DC—DC轉(zhuǎn)換原理框圖

3.2 A/D轉(zhuǎn)換器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種用來將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成適合于數(shù)字處理的二進制數(shù)的器件,其原理框圖如圖3所示。由圖中看出,模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入量有兩種:模擬輸入信號Vi和參考電壓Vref,其輸出的是一組二進制數(shù)。本設(shè)計采用的是12位的A/D TLC2543芯片。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換原理圖

3.3 漏電保護裝置

圖4為漏電保護裝置原理框圖。本系統(tǒng)漏電保護方法：使用繼電器J的常閉觸點接在負(fù)載前,當(dāng)電流過大時,電流經(jīng)過放大繼電器線圈得電,線圈吸合,繼電器常閉觸頭斷開,電路負(fù)載處于斷路狀態(tài),能保護電路的過流。

圖4 漏電保護裝置原理框圖

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 DC—DC電路設(shè)計

這部分是整個系統(tǒng)的核心部分,DC—DC轉(zhuǎn)換電路分為升壓部分和降壓部分。當(dāng)輸入電壓信號為5.5～7 V,電路采用2個元件參數(shù)一樣的LM2577構(gòu)成核心的升壓電路并聯(lián),輸出電壓為11 V,輸出電流比單個升壓電路更穩(wěn)定；當(dāng)輸入電壓信號為7～25 V時,以LM2576為核心的降壓電路能輸出穩(wěn)定的電壓5 V±0.05 V,設(shè)計電路見圖5。

圖5 DC—DC電路

4.2 漏電保護電路設(shè)計

漏電保護電路如圖6 所示。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)漏電(負(fù)載電流超過30 mA)時,漏電保護裝置(繼電器J)動作,轉(zhuǎn)換開關(guān)S接2端的回路與直流穩(wěn)壓源斷開,RL兩端電壓為0 V 并保持自鎖。排除漏電故障后,按下K恢復(fù)輸出。采樣電路中,由于漏電電流、采樣電阻都小,因此我們在前級加入了一個放大電路以增加放大倍數(shù),提高保護裝置的靈敏度,電流誤差的絕對值在≤5%以內(nèi)。

圖6 漏電保護電路

5 數(shù)據(jù)測試結(jié)果及分析

5.1 系統(tǒng)測試儀器及測試方法

測試儀器:本系統(tǒng)主要測試輸出電壓、輸出電流,故選用數(shù)字式萬用表；功率測量選用AT89S52單片機、A/D轉(zhuǎn)換器和液晶顯示。

測試方法:測試電壓時,在帶負(fù)載的情況下,萬用表測量直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓；測電流時,在帶負(fù)載的情況下,萬用表與負(fù)載串聯(lián)測量電流；功率測量時,對采樣電阻兩端的電壓放大,A/D轉(zhuǎn)換把放大的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,經(jīng)過AT89S52單片機對數(shù)字量的處理,控制液晶顯示穩(wěn)壓電源實時功率[7]。

5.2 系統(tǒng)測試

測試使用的儀器為數(shù)字式萬用表。

(1) 轉(zhuǎn)換開關(guān)S接1端,RL阻值固定為5 Ω,當(dāng)直流輸入電壓在7～25 V 變化時,輸出電壓及實測數(shù)據(jù)見表1。

表1 7～25 V電壓時系統(tǒng)測試結(jié)果

(2) 轉(zhuǎn)換開關(guān)S 接1端,RL阻值固定為5 Ω。當(dāng)直流輸入電壓在5.5～7 V 變化時,輸出電壓見表2。

表2 5.5～7 V電壓時系統(tǒng)測試結(jié)果

(3) 轉(zhuǎn)換開關(guān)S 接1 端,直流輸入電壓固定在7 V,當(dāng)直流穩(wěn)壓電源輸出電流由1 A 減小到0.01 A 時,負(fù)載調(diào)整率SL≤1%。測試結(jié)果見表3。

表3 7 V電壓時系統(tǒng)測試結(jié)果

5.3 測量結(jié)果分析

(1) 轉(zhuǎn)換開關(guān)S 接1 端,RL阻值固定為5 Ω。當(dāng)直流輸入電壓在7～25 V 變化時,輸出電壓為5 V±0.05V以內(nèi)。

100%≈0.24%

實測電壓調(diào)整率Su=0.24%≤1%,滿足要求。

(2) 轉(zhuǎn)換開關(guān)S接1 端,RL阻值固定為5 Ω。當(dāng)直流輸入電壓在5.5～7 V 變化時,輸出電壓為5 V±0.05 V以內(nèi)。

(3) 轉(zhuǎn)換開關(guān)S接1 端,直流輸入電壓固定在7 V,當(dāng)直流穩(wěn)壓電源輸出電流由1 A 減小到0.01 A時。負(fù)載調(diào)整率:

100%=0.1%

所以負(fù)載調(diào)整率SL=0.1%≤1%,滿足要求。

(4) 轉(zhuǎn)換開關(guān)S接2端(見圖1),將RL接到漏電保護裝置的輸出端,阻值固定為20Ω,R和電流表A組成模擬漏電支路(見圖1)。調(diào)節(jié)R,將漏電動作電流設(shè)定為30mA。當(dāng)漏電保護裝置動作后,RL兩端電壓為0 V 并保持自鎖。排除漏電故障后,按下K恢復(fù)輸出。漏電保護裝置沒有動作時,實測輸出電壓>4.6 V。

5.4 漏電檢測分析

得到漏電電流,再通過放大比較電路后獲得驅(qū)動電平,使繼電器動作,從而驅(qū)動切斷負(fù)載[8],原理框圖見圖7。

圖7 漏電檢測原理圖

5.5 關(guān)斷保護分析

在漏電保護電路里設(shè)有漏電保護裝置的復(fù)位開關(guān)K來實現(xiàn)關(guān)斷保護。

6 結(jié)論

本文設(shè)計了一種以芯片LM257/6和單片機為核心的直流穩(wěn)壓電源及漏電保護裝置。該系統(tǒng)可以穩(wěn)定和精確地輸出5 V電壓,額定電流1 A；輸入電壓為7～25 V時,輸出電壓調(diào)整率為0.059%；輸入電壓為5.5～7 V時,輸出電壓為5 V±0.05 V；固定7 V輸入電壓時,負(fù)載調(diào)整率為0.2%。系統(tǒng)是一種理想的直流穩(wěn)壓電源解決方案,改變了傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計,具有新穎性、獨創(chuàng)性、先進性和環(huán)保性。

References)

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A design for DC stabilized power supply and leakage-protection device

Cun Yanping1, Yang Changbao2

(1. College of Mechanical& Electrical Technology,Yunnan Open University, Kunming 650223， China； 2. College of Geo-exploration Science & Technology,Jilin University, Changchun 130026， China)

This paper proposes a design for the linear DC stabilized power supply and leakage-protection device with taking the chips of LM2577,LM2576 and the single-chip microcomputer as the core to produce a DC—DC converter,meanwhile,it provides the DC stabilized power supply with the rated output voltage of 5 V±0.05 V and the rated output current of 1 A.It can achieve that 5 V±0.05 V of output voltage is maintained with 5.5-25 V of input DC voltage whose voltage regulation factor(SU) is less than or equal to 1%.At the same time,the output DC regulated power supply current will reduce from 1 A to 0.01 A when the input voltage is 7 V,and the load regulation rate(SL) will be less than or equal to 1%,it gets the aim of power measurement and real-time display,what’s more,it can also realize the protection-action to the leakage of the simulation-leakage branch.

DC regulated power supply; DC—DC converter; leakage protection; LM2576 / 6; single chip microcomputer

2014- 12- 31

國家“863”計劃課題“復(fù)雜地形重、磁三維反演技術(shù)”(2006AA06Z107)；國家自然科學(xué)基金重點項目“長白山火山演變歷史及潛在的危險”(40930314)資助

寸彥萍(1973— )，女(白族)，云南鶴慶，碩士，講師，主要從事電氣科學(xué)的教學(xué)和研究.

E-mail：yangcb2008@163.com

TN86

A

1002-4956(2015)7- 0099- 05