帶漏電保護(hù)裝置的低壓差寬范圍直流電源設(shè)計(jì)

朱海洋

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512126）

帶漏電保護(hù)裝置的低壓差寬范圍直流電源設(shè)計(jì)

朱海洋

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512126）

針對(duì)傳統(tǒng)模擬線性電源輸入范圍小、輸入輸出電壓差大等缺點(diǎn)，提出一種基于 PMOS管及高精度單電源運(yùn)放拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電源調(diào)整電路，利用恒流源組成的高精度參考電壓源，使電源在 5.5V～25V輸入電壓時(shí)亦能獲得 5V穩(wěn)定輸出，最低差達(dá)到 0.5V.為實(shí)現(xiàn)直流漏電檢測(cè)，應(yīng)用電流差法檢測(cè)負(fù)載輸入、輸出端的電流值，由微處理器進(jìn)行電流差運(yùn)算后判斷電路是否漏電.電路設(shè)計(jì)采用了 Proteus仿真手段，制作實(shí)物并使用 Agilent34110A6位半數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)試，在負(fù)載為 5Ω時(shí)測(cè)得電源調(diào)整率為0.4%，輸入電壓為5.5V～25V固定負(fù)載條件下測(cè)得調(diào)整率為0.98%.

直流電源；恒流源；電流差；漏電保護(hù)；調(diào)整率

0 引言

傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電路輸入、輸出壓差大，電路功耗大，發(fā)熱嚴(yán)重效率低，輸入電壓范圍過(guò)小，使用受到限制［1］.盡管集成低壓差（Low Drop Out）穩(wěn)壓芯片應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是其輸入電壓范圍依舊很小，多用于便攜試低壓供電設(shè)備［2］.文獻(xiàn)3使用 Boost-Buck升-降壓拓?fù)潆娐芬云讷@得寬輸入范圍及低壓差，但該方案電路復(fù)雜，且控制策略繁瑣，電路工作時(shí)還會(huì)產(chǎn)生難以抑制的高頻 EMI電磁干擾，影響信號(hào)敏感電路的正常工作［4］.漏電保護(hù)器作為一種監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置，是配電線路及用電設(shè)備所必須的，但在直流漏電檢測(cè)中交流漏電檢測(cè)方式不適用，在直流漏電檢測(cè)方法常用電橋法、信號(hào)注入法、差流檢測(cè)方法等， 其中差流檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、 可靠性高［5］.文章基于Proteus仿真設(shè)計(jì)手段設(shè)計(jì)一種基于低壓差、寬范圍的帶直流保護(hù)電路的直流電源，樣機(jī)測(cè)試指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.

1 設(shè)計(jì)方案

為獲得寬范圍、低壓差電源電路，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)帶模擬漏電保護(hù)裝置的直流穩(wěn)壓電源，電路連接如圖 1所示.圖中 RL為負(fù)載電阻，R為模擬漏電電阻，A為漏電流顯示電流表，S為轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，K為漏電保護(hù)電路復(fù)位按鈕.穩(wěn)壓電源額定輸出電壓 5V，額定輸出電流1A，額度輸入電壓范圍為 5.5V～25V，壓差≤0.5V，負(fù)載 RL固定為 5Ω時(shí)輸出電壓為 5±0.05V，電源調(diào)整率SU≤1%，當(dāng)負(fù)載電流由1A減小到0.01A時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SL≤1%.開(kāi)關(guān)S接 2時(shí)漏電保護(hù)裝置接入電路，漏電電流≥30mA時(shí)觸發(fā)漏電保護(hù)裝置動(dòng)作切斷輸出電源，漏電解除后按下復(fù)位開(kāi)關(guān)K電路方正常工作.

圖1 系統(tǒng)組成

2 寬范圍低壓差穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)

2.1 主穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

串聯(lián)穩(wěn)壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2（a）所示，由電路有［6］

通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整 USD使 VO輸出穩(wěn)定，分析 VO穩(wěn)定原理有［7］

VN為參考電壓，k為分壓電阻系數(shù)，由（3）式知設(shè)定 VN、k即可改變輸出電壓 VO值，與輸入電壓 Vi無(wú)關(guān)，設(shè)計(jì)電路如圖 2（b）所示.圖 2（b）電路設(shè)計(jì)有 2個(gè)特點(diǎn)：（1）使用 PMOS場(chǎng)效應(yīng)管（Q1）作為電源調(diào)整管，（2）使用集成運(yùn)放（U1）實(shí)現(xiàn)比較、反饋調(diào)節(jié)輸出電壓.因 P溝道場(chǎng)效應(yīng)管源極

圖2 低壓差直流穩(wěn)壓電路

（S）直接接輸入電壓 Vi，因此有

當(dāng)（4）式滿(mǎn)足|VGS|＜|VGS（th）|時(shí)，PMOS管截止輸出無(wú)電壓.正常工作時(shí) VG將自適應(yīng)跟隨Vi變化而變化以使|VGS|＞|VGS（th）|，保證輸出電壓時(shí)刻穩(wěn)定在（3）式設(shè)定值.

U1運(yùn)放為誤差放大及驅(qū)動(dòng)器件，運(yùn)放 VN為參考設(shè)置電壓，VP為穩(wěn)壓電源輸出采樣電壓. VP、VN電壓在運(yùn)放 U1中相比較，比較放大后誤差電壓控制調(diào)整管 Q1.當(dāng) VN、k固定，輸入電壓或負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定不變.考慮輸入電壓范圍寬 （5.5V～25V），使用 OPA2277低電壓軌-軌高精度運(yùn)放［4］，其可工作于 4V～40V的單電源，并將 OPA2277供電引腳與PMOS管源極（S）并聯(lián).

2.2 恒流-恒壓參考源設(shè)計(jì)

由（3）式可知，輸出電壓 VO隨 VN呈 k倍變化，確定一個(gè)極穩(wěn)定的 VN是保證 VO獲得足夠精確度的前提.在寬輸入電壓范圍內(nèi)，使用電阻串接穩(wěn)壓二極管的方式來(lái)獲得 VN電壓難以滿(mǎn)足要求.使用恒壓-恒流源則可以在寬輸入電壓范圍內(nèi)獲得及其穩(wěn)定的VN參考電壓輸出.恒流源輸出電流恒定，動(dòng)態(tài)電阻寬，輸出電流與輸入電壓無(wú)關(guān)，如圖 2（b）中 Q2、Q3電路所示［8］，分析其恒流原理，有

當(dāng)三極管放大器倍數(shù) β足夠大時(shí)有

VQbe為三極管 b-e管壓降，其值為 0.6～0.7V，因?yàn)?VQ2be、R4不變，電流 IC3恒定不變.U2（TL431）為高精度集成穩(wěn)壓芯片，將調(diào)整端（1腳）與陰極（3腳）并聯(lián)后將可作為 2.5V高精度穩(wěn)壓源，串入 Q2、Q3恒流源電路，當(dāng)輸入電壓在 5.5～25V變化時(shí)，Q2、Q3均能為 TL431提供恒定電流，使 VN穩(wěn)定.

3 直流漏電保護(hù)電路設(shè)計(jì)

3.1 直流漏電檢測(cè)電路

根據(jù)直流差流漏電流的檢測(cè)原理，通過(guò)電流傳感器檢測(cè)出支路正、負(fù)導(dǎo)線流入與流出電流的差值，從而判斷該支路負(fù)載的絕緣情況，在檢測(cè)到漏電電流大于 30mA時(shí)立即切斷負(fù)載電壓輸出.直流差流漏電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)思路如圖 3所示［9］.圖 3電路中 i1、i2分別為負(fù)載 RL流入、流出電流，并且 i1=i2.發(fā)生漏電時(shí)如同在負(fù)載與電源地端并聯(lián)了等效電阻 Rd并對(duì)負(fù)載流入電流 i1分流，因此有 i1-i3=i2，i1≠i2.通過(guò)電路檢測(cè)出電流 i1、i2并進(jìn)行求差后判斷結(jié)果是否大于 30mA即可判定是否發(fā)生漏電.圖3中 R01、R02為檢流電阻，將 i1、i2電流變?yōu)?UR01、UR02電壓信號(hào)，將電流差檢測(cè)變?yōu)殡妷翰顧z測(cè).由于 R01、R02為低阻值檢流電阻，因此檢測(cè)到的 UR01、UR02電壓信號(hào)非常微弱，需進(jìn)行高增益放大，此外由于UR01為負(fù)載上端電壓， 需使用差分法測(cè)量［10］. INA138為電流檢測(cè)與

放大的專(zhuān)用芯片，單5V供電，差分輸入，單端輸出，適合用于圖 3中 UR01、UR02測(cè)量，如圖4所示.被測(cè)電流流經(jīng) R0產(chǎn)生壓降，在 INA138內(nèi)部放大后驅(qū)動(dòng)三極管集電極產(chǎn)生電流，通過(guò)外接電阻RS將電流轉(zhuǎn)換成電壓并從 INA138第1腳輸出，電流輸出函數(shù)為

圖3 直流差流檢測(cè)原理

圖4 IAN138原理

gm為INA138跨導(dǎo)，為200μA/V，INA138

輸入電壓（V+-V-）等于 IL×R0，輸出電壓 Vo等于 IO×RS，其完整電壓傳輸函數(shù)為

選擇 RS可以設(shè)定 INA138增益，當(dāng) RS取500K、R0取 0.01時(shí) VO=IL×0.01×100（V），即 VO為 1V時(shí)對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流為 1A.使用兩片IAN138分別測(cè)量 i1、i2，其輸出電壓 U1、U2相減，若差值＜0.03V可認(rèn)為無(wú)漏電情況發(fā)生，若差值≥0.03V則說(shuō)明產(chǎn)生了漏電，應(yīng)立即觸發(fā)漏電保護(hù)電路動(dòng)作.

3.2 漏電保護(hù)驅(qū)動(dòng)

漏電保護(hù)電路應(yīng)具有自鎖裝置，避免漏電未解除時(shí)強(qiáng)制合閘.只有漏電解除并手動(dòng)按下復(fù)位開(kāi)關(guān)后方可以合上電源，負(fù)載重新上電工作.根據(jù)單向可控硅的自鎖特性設(shè)計(jì)保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路如圖 5所示.圖 5中正常情況下 C端輸出低電平，繼電器常閉觸點(diǎn)吸合，

圖5 漏電保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路

接通負(fù)載電源.當(dāng)有漏電時(shí)C端為高電平，Q4、Q5導(dǎo)通，觸發(fā)單向可控硅SCR導(dǎo)通，繼電器JK1吸合常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)并切斷負(fù)載電源.此時(shí)即使漏電狀態(tài)解除 C端輸出的低電平亦無(wú)法使SCR截止，繼電器無(wú)法釋放.SCR截止最易實(shí)現(xiàn)的方法是令其陽(yáng)極電流為零［11］，按下圖 5常閉開(kāi)關(guān)K即可立即關(guān)斷SCR，繼電器釋放，負(fù)載重新得電工作.

4 仿真與測(cè)試

4.1 電源及漏電保護(hù)電路仿真設(shè)計(jì)

在 Proteus7.10構(gòu)建低壓差直流穩(wěn)壓及漏電仿真電路如圖 6所示［12］.開(kāi)關(guān) SW1切換到帶漏電保護(hù)的電路，開(kāi)關(guān)SW2串聯(lián)電阻 R15模擬漏電負(fù)載，閉合SW2時(shí)R15接入電路模擬漏電發(fā)生.在50mA～1250mA負(fù)載下的漏電仿真測(cè)試結(jié)果如表 2所示，U1-U2差值均≥0.03V，說(shuō)明漏電檢測(cè)電路能可靠檢測(cè)出漏電狀態(tài).當(dāng)漏電時(shí)KL閉合，SCR導(dǎo)通繼電器吸合，負(fù)載斷電，當(dāng)漏電解除后（斷開(kāi)KL）按下K復(fù)位SCR，繼電器釋放.

表2 漏電仿真測(cè)試結(jié)果

4.2 電路測(cè)試

以圖6電路為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)并制作電路實(shí)物，使用ATMEGA16做主控制器，用其內(nèi)置10bitA/ D轉(zhuǎn)換器檢測(cè)電源電路輸出電壓、電流，并計(jì)算輸出功率，所有數(shù)據(jù)及信息顯示在 1602液晶顯示器.使用 Agilent34110A6 1/2半數(shù)字萬(wàn)用表按公式（5）、（6）所定義的電源調(diào)整率 SU、負(fù)載調(diào)整率 SL對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試［12］.公式（5）中 UO1為直流輸入電壓為 7V時(shí)的輸出電壓，UO2為直流輸入電壓為 25V時(shí)的源輸出電壓.公式（6）中 UO1為負(fù)載電阻為 500Ω 時(shí)的輸出電壓，UO2是負(fù)載電阻為 5Ω時(shí)的直流穩(wěn)壓電源輸出電壓.測(cè)試結(jié)果如表 3～5所示.

圖6 Proteus仿真電路

表3為空載測(cè)量結(jié)果，當(dāng)輸入5.5V電壓時(shí)，輸出電壓為5V，若輸入電壓低于5V則輸出幾乎為 0，故最低輸入電壓為 5.5V，最小壓差為0.5V.分析表 4可知，當(dāng)負(fù)載為 5Ω、輸入電壓為 5V、25V時(shí)，電源調(diào)整率為0.4%.表5中，在輸入電壓5.5V～25V范圍內(nèi)取6個(gè)電壓點(diǎn)，逐一測(cè)試其在500Ω、5Ω負(fù)載下的負(fù)載調(diào)整率，統(tǒng)計(jì)平均負(fù)載調(diào)整率為0.99%.將160Ω的電阻模擬漏電過(guò)程，能正常觸發(fā)漏電保護(hù)電路并立即切斷輸出，漏電解除后按下復(fù)位開(kāi)關(guān)K后電路恢復(fù)正常.

表3 輸入為5～7V時(shí)輸出結(jié)果

表4 負(fù)載為5Ω的電源調(diào)整率SU測(cè)試結(jié)果

表5 負(fù)載調(diào)整率SL測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的低壓差直流穩(wěn)壓電路輸入電壓范圍寬、壓差低、精度高，額定輸出電壓 5V負(fù)載為 5Ω時(shí)測(cè)得電源調(diào)整率為0.4%，輸入電壓為5.5V～25V負(fù)載分別為 5Ω、500Ω所測(cè)得平均負(fù)載調(diào)整率為 0.98%，最小壓輸入電壓為5.5V，最低壓差為0.5V，設(shè)計(jì)的模擬漏電保護(hù)裝置工作可靠，漏電流大于30mA即觸發(fā)保護(hù)電路動(dòng)作，最大輸入電壓可達(dá)40V.設(shè)計(jì)過(guò)程使用Proteus仿真調(diào)試手段，提高了設(shè)計(jì)效率，電源稍加改進(jìn)可用于船用設(shè)備等供電電源設(shè)計(jì).

［1］胡玫,王永喜,劉保錄.一種微機(jī)電源的 LDO設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.2014（2）：21-22，28.

［2］王小華，唐寧，趙榮建等.高穩(wěn)定性低壓差線性穩(wěn)壓器的研究和設(shè)計(jì)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2013,13(24)：7041-7044.

［3］李光平，胡立坤.基于 Atmega16的直流穩(wěn)壓及漏電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)［J］,2014,36(1)：145-149.

［4］詹訓(xùn)進(jìn).基于 ARM7可控硅參數(shù)測(cè)試儀設(shè)計(jì)［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2010,35(7)：650-653,690.

［5］程爽.直流漏電保護(hù)技術(shù)的研究［D］，天津：河北工業(yè)大學(xué)，2010（12）：4-12.

［6］葛海波，劉鴻雁，王海潼.串聯(lián)穩(wěn)壓器基準(zhǔn)誤差放大電路的設(shè)計(jì) ［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,36(1)：53-56.

［7］吳穎杰,周巍,于忠臣.高性能片內(nèi)集成 CMOS線性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)［J］.電子元器件應(yīng)用,2009,11(10)：67-70.

［8］歐陽(yáng)明星.無(wú)線微電流表傳感器設(shè)計(jì)與研究［J］.壓電與聲光，2013,35(4)：609-613.

［9］沈良國(guó)，嚴(yán)祖樹(shù)，王釗等.一種高穩(wěn)定性高精度低壓差線性穩(wěn)壓器的分析與設(shè)計(jì) ［J］.半導(dǎo)體學(xué)報(bào). 2007,28(12)：1872-1877.

［10］王衛(wèi)兵,孫永杰,劉衛(wèi)東.單片機(jī)和 FPGA的可控硅觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,14(3)：1-4.

［11］李雪麗,陳偉,李運(yùn)生.基于 Proteus的雙直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與仿真［J］.制造技術(shù)與機(jī)床,2010(12)：53-56.

［12］張曉紅,孫玲玲,周偉江.一種高精度自偏置帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì) ［J］.杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2007,27(3)：31-35.

［責(zé)任編輯：劉向紅］

Design of DC Power supply of Low-Dropout and Wide Range with Leakage Protection Device

ZHU Haiyang
(Department of Electrical Engineering,Guangdong Songshan Polytechnic College, Shaoguan Guangdong 512126,China)

Based on traditional analog linear power input range,input-output voltage difference and other shortcomings,a discharge circuit topology of the power adjustment based PMOS transistors and high-precision single-supply operation was proposed.By using high-precision reference voltage source consisting of a constant current source,5V regulated output can be obtained,which input voltage of 5.5V～25V.In order to achieve a Dc leakage detection,the current value difference between the applied load input and output termnal was determined by microporcessor.When the load was 5Ω,the porver adjustment rate was 0.4%,and the adjustment rate was 0.98%with 5.5V～25V input voltage.

DC Power;constant current source;low dropout;leakage protection;power regulation rate

TM 44

A

1672-402X（2016）08-0031-06

2015-05-15

2015年廣東省大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目，“藍(lán)牙家居智能開(kāi)關(guān)”（項(xiàng)目主持人：余林峰，項(xiàng)目編號(hào)：pdjh2015b0713）

朱海洋（1978-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士，廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及其應(yīng)用.