直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)設(shè)計(jì)

劉德玉，胡邦南，黃立峰

(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，湖南 長(zhǎng)沙 410208)

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直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)設(shè)計(jì)

劉德玉，胡邦南，黃立峰

(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，湖南 長(zhǎng)沙 410208)

本系統(tǒng)采用兩級(jí)穩(wěn)壓的方式，前級(jí)穩(wěn)壓芯片將高輸入電壓降至8.2 V左右，后級(jí)穩(wěn)壓采用低壓差穩(wěn)壓芯片MIC29302。系統(tǒng)根據(jù)輸入電壓自動(dòng)選擇相應(yīng)的穩(wěn)壓回路，從而保證電壓控制精度、電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率。采用霍爾傳感器檢測(cè)漏電電流，當(dāng)漏電電流超過(guò)30 mA時(shí)，能準(zhǔn)確切斷電源并發(fā)出報(bào)警。數(shù)字電路以單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)電壓與電流的顯示、故障報(bào)警、鍵盤數(shù)字給定。本系統(tǒng)功能完善，達(dá)到了各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

穩(wěn)壓；漏電保護(hù)；報(bào)警

1 方案比較與論證

1.1 直流穩(wěn)壓

下面給出三種直流穩(wěn)壓方案并進(jìn)行比較。

方案一：由于輸入電壓范圍比較大，考慮用兩級(jí)穩(wěn)壓的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一級(jí)采用串聯(lián)型穩(wěn)壓管，進(jìn)行初步穩(wěn)壓，采用第二級(jí)MIC29302穩(wěn)壓芯片，進(jìn)行精密穩(wěn)壓[1]，如圖1所示。

圖1 方案一框圖

方案二:用三端穩(wěn)壓管雙級(jí)穩(wěn)壓。直流輸入電壓首先經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片7805初步穩(wěn)壓，再經(jīng)過(guò)第二級(jí)LM2940精密穩(wěn)壓電路把電壓穩(wěn)定在5 V[2-3]，如圖2所示。

圖2 方案二框圖

方案三:用三端穩(wěn)壓管雙級(jí)穩(wěn)壓。設(shè)置了一個(gè)判斷電路,當(dāng)輸入電壓大于8.2 V時(shí)，采用兩級(jí)穩(wěn)壓，當(dāng)輸入電壓小于8.2 V時(shí)，第一級(jí)穩(wěn)壓電路被旁路，輸入信號(hào)直接進(jìn)入第二級(jí)精密穩(wěn)壓。精密穩(wěn)壓芯片采用MIC29302，低壓差，能夠在5.3 V輸入時(shí)輸出5 V[4-5]，如圖3所示。

圖3 方案三框圖

經(jīng)仔細(xì)分析和論證后，只有方案三完全滿足題目要求。直流穩(wěn)壓模塊帶自適應(yīng)的兩級(jí)穩(wěn)壓方式，初級(jí)穩(wěn)壓采用LM317,精密穩(wěn)壓采用MIC29302。

1.2 漏電保護(hù)裝置

方案一:采用電阻采樣電流，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)比較得到漏電電流值，然后用繼電器去控制輸出電路通斷[6]。

方案二：采用霍爾元件作為漏電電流檢測(cè)元件，當(dāng)有漏電發(fā)生時(shí)，霍爾元件產(chǎn)生感應(yīng)電流，再送到放大和比較電路輸出信號(hào)，然后用晶體管組成的自鎖電路去控制場(chǎng)效應(yīng)管，以控制輸出電路的通斷[7]。

方案一中由于采樣電阻與被測(cè)元件串聯(lián)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)隔離測(cè)量，而且繼電器工作功耗比較大。方案二測(cè)量電路和被測(cè)電路沒有直接的接觸，靈敏度較高，采用電子開關(guān)工作功耗很低。綜合考慮，漏電保護(hù)裝置選擇方案二。

2 總體設(shè)計(jì)及理論分析計(jì)算

2.1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：穩(wěn)壓電源、漏電保護(hù)裝置及單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)部分包括AD采樣、按鍵和顯示部分[8]。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體框圖

圖5 前級(jí)穩(wěn)壓及比較電路

系統(tǒng)采用兩級(jí)穩(wěn)壓方式，當(dāng)外部輸出電壓進(jìn)入電壓比較器進(jìn)行比較，當(dāng)電壓大于8.2 V時(shí)，旁路通道關(guān)閉，第一級(jí)的三端穩(wěn)壓管LM317工作，電壓初步穩(wěn)定在6.5 V左右。6.5 V電壓信號(hào)再進(jìn)入到低壓差穩(wěn)壓管MIC29302MC精密穩(wěn)壓到5 V。如果外部輸入電壓小于8.2 V，電壓比較器將控制場(chǎng)效應(yīng)管打開旁路通道，這時(shí)第一級(jí)穩(wěn)壓被旁路，輸入電壓直接進(jìn)入到低壓差穩(wěn)壓部分進(jìn)行精密穩(wěn)壓。

功率測(cè)量及顯示采用宏晶科技生產(chǎn)的高速單片機(jī)STC12C5A60S2實(shí)現(xiàn)。在輸出端采用霍爾傳感器采集輸出電流并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)處理，單片機(jī)計(jì)算后把功率送到顯示器并進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。

漏電保護(hù)裝置由場(chǎng)效應(yīng)管電子開關(guān)、漏電檢測(cè)元件、電壓放大，電壓比較器和復(fù)位按鍵構(gòu)成。霍爾元件構(gòu)成的漏電檢測(cè)部分檢測(cè)當(dāng)前電流差值，并與設(shè)定值30 mA比較，如果漏電電流大于30 mA將控制場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷并自鎖，這時(shí)輸出電壓降為0 V，故障清除后，按下復(fù)位開關(guān)，輸出電壓恢復(fù)。

2.2 穩(wěn)壓部分分析

穩(wěn)壓電源部分采用兩級(jí)穩(wěn)壓模塊，后級(jí)精密穩(wěn)壓的輸入電壓為5.5～8.2 V。后級(jí)穩(wěn)壓芯片MIC29302MC的指標(biāo)為：最大輸出電流3 A，電壓調(diào)整率<1%，負(fù)載調(diào)整率小于1%，輸出電流1.5 A時(shí)壓差為250 mV，完全滿足題目要求[9]。

2.3 漏電檢測(cè)部分分析

假設(shè)漏電保護(hù)裝置的輸出電流為I1，經(jīng)過(guò)負(fù)載后返回電流為I2，則電流的差值就是漏電電流：ΔI=I1-I2。正常的情況下不漏電時(shí)，ΔI=0；反之ΔI>0。兩個(gè)電流I1和I2采用霍爾傳感器采樣檢測(cè)出來(lái),再經(jīng)過(guò)放大處理，送比較電路。使用LM311比較器進(jìn)行比較，漏電電流是否達(dá)到30 mA，當(dāng)未達(dá)到30 mA時(shí)正常輸出；當(dāng)漏電電路電流超過(guò)30 mA時(shí)，電路自鎖保護(hù)，在故障排除后按下開關(guān)S1即可恢復(fù)輸出。

3 單元電路設(shè)計(jì)

3.1 直流穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)

第一級(jí)穩(wěn)壓及旁路電路如圖5所示。

D1、R1、R2和Q4和Q5構(gòu)成電壓比較器，當(dāng)輸入電壓低于穩(wěn)壓管導(dǎo)通電壓時(shí)，MOS管導(dǎo)通，旁路低電壓場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，前級(jí)穩(wěn)壓被旁路。當(dāng)電壓大于8.2 V時(shí)，穩(wěn)壓二極管導(dǎo)通，Q4、Q5導(dǎo)通，MOS管Vgs電壓小于它的導(dǎo)通電壓，MOS管截止，旁路低電壓場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷，LM317和TIP35、TIP42組成穩(wěn)壓擴(kuò)流電路工作，當(dāng)電壓小于8.2 V時(shí)，采用精密穩(wěn)壓電路。比較電壓和LM317輸出電壓可以調(diào)整。

第二級(jí)穩(wěn)壓電路如圖6。

3.2 漏電保護(hù)電路模塊

場(chǎng)效應(yīng)管保護(hù)和霍爾元件采樣電路如圖7所示。

圖7 漏電保護(hù)電路

漏電保護(hù)自鎖裝置由Q4和Q2構(gòu)成，場(chǎng)效應(yīng)管Q1構(gòu)成保護(hù)開關(guān)。J3和J4分別接霍爾元件的兩級(jí)線圈。兩級(jí)線圈分別檢測(cè)線路的注入和流出端，然后把這組差分信號(hào)送到放大電路控制Q1管動(dòng)作。經(jīng)測(cè)試當(dāng)漏電電流大于30 mA時(shí)，Q1關(guān)斷同時(shí)自鎖電路工作并且語(yǔ)音模塊響應(yīng)報(bào)警聲音信號(hào)，在故障排除后按下開關(guān)S1即可恢復(fù)輸出同時(shí)語(yǔ)音提示解除報(bào)警信號(hào)。漏電小于30 mA時(shí)，保護(hù)電路輸出高電平，Q2和Q4都不動(dòng)作，當(dāng)漏電大于30 mA時(shí)，輸出低電平，Q2導(dǎo)通，然后Q4導(dǎo)通，形成自鎖，去控制MOS管，MOS管截止，停止輸出。

3.3 AD采樣模塊

本模塊由兩路A/D7705采集電路構(gòu)成，完成輸出電壓和電流信號(hào)的采集，再經(jīng)處理傳送給單片機(jī)。TL431是給AD采樣提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，從而讓測(cè)量更加穩(wěn)定，電壓是通過(guò)精密電阻分壓A/D測(cè)量，電流是通過(guò)霍爾電流傳感器，主要是工作內(nèi)阻超低，然后送到A/D口進(jìn)行檢測(cè)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖8 主控流程圖

系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。主程序開始對(duì)內(nèi)部功能寄存器、端口、液晶顯示模塊等初始化，然后在主循環(huán)中對(duì)鍵盤和輸出端被測(cè)電壓、電流進(jìn)行采集，經(jīng)處理后得到當(dāng)前功率，電路完成測(cè)量并把信息顯示在LCD液晶屏上。

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 基本功能測(cè)試

(1) 電壓調(diào)整率測(cè)試

當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)S接1端，負(fù)載RL固定為5 Ω，直流輸入電壓在7～25 V變化時(shí)，測(cè)出的輸出電壓如表1所示。

電壓調(diào)整率計(jì)算：

(2) 負(fù)載調(diào)整率測(cè)試

轉(zhuǎn)換開關(guān)S接1端，直流輸入電壓固定為7 V，當(dāng)直

表1 電壓調(diào)整率測(cè)試

流穩(wěn)壓電源輸出電流由1 A減少到0.01 A時(shí)，測(cè)出的輸出電壓如表2所示。

表2 負(fù)載調(diào)整率測(cè)試

從上面的數(shù)據(jù)來(lái)看，本設(shè)備數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求：輸出電壓變化為5±0.05 V時(shí)，電壓調(diào)效率SU≤1%。

5.2 發(fā)揮部分功能

轉(zhuǎn)換開關(guān)S接2端，負(fù)載固定為20 Ω，R和電流表A組成模擬漏電電路，調(diào)節(jié)R設(shè)定漏電電流為30 mA，當(dāng)調(diào)節(jié)輸入電壓在5.5～25 V變化時(shí)，漏電保護(hù)裝置無(wú)動(dòng)作時(shí)，測(cè)量出保護(hù)裝置輸出電壓如表3所示。

表3 漏電保護(hù)裝置測(cè)試

轉(zhuǎn)換開關(guān)S接2端，R和電流表A組成模擬漏電電路，調(diào)節(jié)R使漏電電流為變化，當(dāng)漏電保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)，測(cè)量出漏電電流數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 漏電保護(hù)動(dòng)作電流誤差測(cè)試

從上面的數(shù)據(jù)來(lái)看，本設(shè)計(jì)達(dá)到要求：漏電保護(hù)裝置動(dòng)作電流誤差絕對(duì)值≤5%。

6 總結(jié)

本設(shè)計(jì)采用宏晶科技生產(chǎn)的8051系列高速單片機(jī)STC12C5A60S2，利用MIC29302MC進(jìn)行兩級(jí)精密穩(wěn)壓，以霍爾元件為漏電檢測(cè)元件，場(chǎng)效應(yīng)管保護(hù)開關(guān)，帶語(yǔ)音和顯示實(shí)時(shí)輸出功率模塊，經(jīng)測(cè)試完全達(dá)到并超出了設(shè)計(jì)要求。

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

Liu Deyu, Hu Bangnan, Huang Lifeng

(Faculty of Electronics Engineering, Hunan Industry Polytechnic, Changsha 410208, China)

The method of two-level voltage regulator is implemented in the system, the input voltage will be drop to around 8.2 V by the first voltage regulated chip, and MIC29302MC is taken as the second voltage regulated chip. The system automatically selects the corresponding voltage stabilizing circuit according to the input voltage, to ensure the voltage control precision, the voltage adjustment rate,and the load adjustment rate. Using Hall sensor to detect the leakage current, when the leakage current is more than 30 mA, the system is able to cut off the power supply and issue an alarm.The digital circuit unit is based on MCU. The display of the voltage and current,and fault alarm function are implemented. The system has comprehensive performance, and can satisfy all requirements.

regulator; leakage protection; alarm

TN86

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.12.026

劉德玉，胡邦南，黃立峰.直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(12)：87-90.

2016-12-22)

劉德玉(1982-)，男，碩士研究生，講師，主要研究方向：自動(dòng)控制。

胡邦南(1969-)，男，碩士研究生，教授，主要研究方向：智能檢測(cè)與智能控制系統(tǒng)。

黃立峰(1972-)，男，碩士研究生，講師，主要研究方向：智能控制。