直流稳压电源及漏电保护装置教材

1、2013 年全国大学生电子设计竞赛直流稳压电源及漏电保护装置（直流稳压电源及漏电保护装置（L 题）题）【高职高专组高职高专组】2013 年年 9 月月 6 日日摘摘 要要 利用 LM358 和 pmos 管 IRF9540 设计一种超低压差稳压电源电路。电路器件选用常规器件，成本低。结构简单。本电路包括主线性变换电源电路、显示控制电路和漏电保护控制电路三部分。其中主线性变换电源电路基于 VLDO 原理设计，调整管采用 pmos 管 IRF9540。压降可以达到 0.2V。功率显示电路采用液晶，由单片机控制。漏电保护控制电路采用单片机控制，对高低电位分别采用 MAX4173 和运放组成电流采样电

2、路，由单片机控制继电器控制电源开关。文章的最后提出系统的软件设计方案，设计了各个功能模块的软件流程图。关键词：关键词：VLDO 单片机 电流采样电路0目目 录录1 系统方案系统方案.21.1 线性直流稳压电源系统的论证与选择线性直流稳压电源系统的论证与选择.21.2 电流检测系统的论证与选择电流检测系统的论证与选择.31.3 漏电保护系统的论证与选择漏电保护系统的论证与选择.52 单元电路设计单元电路设计.62.1 线性直流稳压电源线性直流稳压电源.62.1.1 线性直流稳压电源原理图.62.1.2 线性直流稳压电源原理分析.62.2 电流检测系统电流检测系统.72.2.1 显示系统电路原理图

3、.72.2.2 显示系统电路原理分析.72.3 漏电保护系统漏电保护系统.82.3.1 漏电保护系统电路原理图.82.3.2 漏电保护系统电路原理分析.83 系统软件设计系统软件设计.83.1 主程序流程图主程序流程图.103.2 显示流程图显示流程图.113.3 电压电流检测流程图电压电流检测流程图.114 测试方案与测试结果测试方案与测试结果.124.1 测试条件与仪器测试条件与仪器.124.2 测试方法测试方法.124.3 测试结果及分析测试结果及分析.13附录附录 1：PCB 图图.14附录附录 2：源程序：源程序.1511 系统方案系统方案本系统主要主线性变换电源电路、显示控制电路和

4、漏电保护控制电路三部分。 ，下面分别论证这 3 个模块的选择。 1.1 线性直流稳压电源系统的论证与选择线性直流稳压电源系统的论证与选择方案一：低压差稳压电路图 1 低压差稳压电路采用 PNP 型功率管作调整管，并且不需要驱动管。可大大降低输入-输出压差。满载时输入-输出压差的典型值小于 500mV，轻载时仅为 1050mV。但低压差线性稳压器有其不足之处，即所需的基极驱动电流及静态工作电流 Id 较大。满载时若 PNP 管的 值为 1520 倍，则 LDO 的 Id(5%7%)Io。由它产生的功耗会限制稳压器效率的进一步提高，这在电池供电的低功耗系统中是不容忽视的问题。方案二：准低压差集成稳

5、压电路图 2 准低压差集成稳压电路它兼有普通集成稳压器驱动电流小、低压差集成稳压器输入-输出压差低的优点。但其容量可比低压差稳压电路用得小，对电容的等效串联电阻(ESR)要求较低。2方案三：超低压差稳压电路图 3 超低压差稳压电路采用 P 沟道功率场效应管 MOSFET 来代替 PNP 型功率管作为调整管，MOSFET本身还带保护二极管(VD)。P 沟道 MOSFET 属于电压控制型器件，其栅极驱动电流板小，而通态电阻非常低，通态压降远低于双极性晶体管的饱和压降，这不仅能大大降低输入-输出压差，还能在微封装下输出更大的电流。综合以上三种方案，选择方案三。1.2 电流检测系统的论证与选择电流检测

6、系统的论证与选择方案一：低端电流检测法图 4 低端电流检测法该电路虽然体积小、电路简单且很容易采用一个基本的同相增益级来实现。但是需要排布从地至负载的返回接线，增加了额外的电阻且有几种故障状态是低端检流电路检测不到的，这会使负载处于危险的情况。3方案二：传统高端检测法图 5 传统高端检测法采用差分运放做增益放大并将信号电平从高端移位到参考地。VO=IRS*RS；R1=R2=R3=R4 该方案已广泛应用于实际系统中，但该电路输入电阻相对较低，等于 R1、输入端的输入电阻一般有较大的误差值、要求电阻的匹配度要高，以保证可接受的 CMRR。任何一个电阻产生 1%变化就会使 CMRR 降低到 46dB

7、；0.1%的变化使 CMRR 达到 66dB，0.01%的变化使 CMRR 达到 86dB。高端电流检测需要较高的测量技巧，这促进了高端检流集成电路的发展。而低端电流检测技术似乎并没有相应的进展。方案三：MAX4173 高端电流检测法4图 6 MAX4173 高端电流检测法输出电压与检流电阻的关系式为：Vo=Gain*Rsense*Iload;Gain= B*RGD/RG1 Gain通过以上计算公式可看出，CMRR 由内部集成检流电路的工艺决定(典型值90dB） ，不再受外部电阻的影响。且器件的一致性好、极好的温漂特性、体积小、低功耗、使用方便。综合以上三种方案，选择方案三。1.3 漏电保护系

8、统漏电保护系统的论证与选择的论证与选择方案一：漏电保护系统图 7 漏电保护系统使用了直流三端可调组件 LM317 配以 12V 变压器,让电压可以在 113V1415V之间连续可调,这样就解决了以上问题,满足了实验需要。利用 LM317 组件有过热过流自保护功能,只需再设置短路声光报警功能,便可提示学生及时关闭电源,进而排除实验故障。利用本设计改进的稳压电源,由于采用了集成元件,使其内部结构简洁、易维修,且性能稳定、使用方便。故采用该方案。52 单元电路设计单元电路设计2.1 线性直流稳压电源线性直流稳压电源 2.1.1 线性直流稳压电源原理图线性直流稳压电源原理图图 8 线性直流稳压电源电路

9、原理图2.1.2 线性直流稳压电源原理分析线性直流稳压电源原理分析该电路由 TL431 提供 2.5V 的基准电压，采用 P 沟道功率场效应管 MOSFET 来代替 PNP 型功率管作为调整管，MOSFET 本身还带保护二极管(VD)。R4，C3 组成积分电路延缓跳变电压。C1，C2，C5，C6 起滤波作用。采用 P 沟道功率场效应管MOSFET 来代替 PNP 型功率管作为调整管，MOSFET 本身还带保护二极管(VD)。P 沟道 MOSFET 属于电压控制型器件，其栅极驱动电流板小，而通态电阻非常低，通态压降远低于双极性晶体管的饱和压降，这不仅能大大降低输入-输出压差，还能在微封装下输出更

10、大的电流。62.2 电流检测系统电流检测系统2.2.1 显示系统电路原理图显示系统电路原理图图 9 显示系统电路原理图2.2.2 显示系统电路原理分析显示系统电路原理分析MAX 4173 的工作原理如图 6 所示。方框内的部分是该芯片的内部结构, 其中A1 和 A2 是两个运算放大器, 构成差动输入, 这样可以增强抗干扰能力, 提高小电流信号的测量准确度;Q1 和 Q2 是两个三极管;COMP 是一比较器;Rsence 是电流采样电阻,采用热稳定性好、漂移小的康铜丝制作。方框外面的部分是用户可以根据自己的需要而改变的电路。其工作原理详述如下： 假定电流是从左向右( 如图中 Iload 方向所示

11、) 流过电流采样电阻 Rsence, 通过一电阻 Rout 接地。这样,运放 A1 工作, 产生电流 Iout 从 Q1 的发射极流出。而此时运放 A2 是截止的, 没有电流从 Q2 流出。A1 的负输入端( - ) 电位为：Vpower=IloadRsence,A1 的开环增益使其正输入端(+) 与负输入端( -)有相同的电位。故 RG1 的压降为：IloadRsence,经过计算, 电压/ 电流转换的比例 P 由下式给出：P=Vout/Iload=Rsence(Rout/RG1)根据上式 Rsence 取较小的值。通过(Rout/RG1)把比例设置为一个合适的值。对于小电流, 可以获得较大

12、的输出测量电压 Vout, 避免前述直接测量电流信号太小的缺点; 对于较大的电流, 又不会对电路的带载能力产生较大的影响。在电路的具体应用中, 电7路各参数具体计算要满足该芯片技术条件要求OUT 端的输出电压 Vout(VRG - 1.5V)OUT 端的输出电流 Iout1.5mA液晶显示器件 LCD 的显示原理是：在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，具有偶极矩的液晶棒状分子在外加电场的作用下其排列状态发生变化，使得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现明与暗或透过与不透过的显示效果。液晶显示器件中的每个显示像素都可以单独被电场控制，不同的显示像素按照控制信号的“指挥”便可以在显

13、示屏上组成不同的字符、数字及图形。因此建立显示所需的电场以及控制显示像素的组合就成为液晶显示驱动器和液晶显示控制器的功能。2.3 漏电保护系统漏电保护系统 2.3.1 漏电保护系统电路原理图漏电保护系统电路原理图图10 漏电保护系统电路原理图2.3.2 漏电保护系统电路原理分析漏电保护系统电路原理分析电阻 Ri 与三极管 VQ3 组成过流保护环节。输出电流过大时，取样电阻 Ri 上的电压大于 0.7V，VQ3 导通，迫使调整管基极电压 Vbe 降低，直到关闭电源输出。R4=0.7/kIC。其中，LC 为输出电流，K 为最大过流系数，通常取值约 1.5。R7=(Vcc-Uce3)/Ie3Vrg/

14、Ic3，限制 Ic3 不宜过大，以免 VQ3 过流损坏。3 系统软件设计系统软件设计采用数据口和单片机的双向口 P0 口直接相连。因为液晶显示模块的控制由 CPU8控制，他们需要同时读写内存，CPU 选用常用的 STC12C5A60S2，液晶模块为HITACHI 公司 KS0108 即（HD61202）液晶控制器的单 5V 供电的 12864 点阵液晶。利用 STC12C5A60S2 控制液晶显示器,由于它内部有 8K 字节的 FLASH 编程和只读存储器（PEROM,用户编制的程序及需要显示的英文字母、数字、汉字、曲线和图形都可以存储在里面，免去了扩展外部存储器的麻烦，使得 STC12C5A

15、60S2 单片机为核心的控制系统电路更简单。因此十分适用于液晶显示。液晶显示模块的设计具备了很强8的通用性，可以被广泛应用到各种系统中。目前系统一般为 3V 电平或 5V 电平系统，因此液晶显示模块的设计也考虑到了，所以采用了 5V 电平。液晶显示模块硬件结构框图如图 3.4 所示。外部控制器将欲显示的数据写入双口 RAM，CPU 则不断扫描内存，根据内存中的数据进行相应的处理，不断刷新液晶显示屏上的显示。综合考虑液晶和系统操作的时序，STC12C5A60S2 单片机运行在 12MHz 时钟下。 外部控制器的数据、地址、控制总线通过接插件引入液晶显示模块。因为双口RAM 的输入输出为 TTL

16、电平，因此作为 5V 的系统，地址和控制总线可以直接引12入。而数据总线因为是 8 漏极的双向 I/O 口，每个引脚可以吸收 8 个 TTL 输入。因此如果直接与数据口相连，在双口 RAM 输出数据的时候电平会是弱低，使得输出不能正常的工作，因此必须加如 8 个上 10K 的拉电阻，这样才能拉高电平，使数据口正常输出。但是由于液晶显示器和 CPU 的接口线比较长，CPU 不能正常的驱动液晶显示器，因此设计一个总线驱动器，采用 74LLS245 进行总线电平转换。这样，显示器就可以正常的工作了。单片机可以通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式、I/O 设备访问形式控制该液晶显示模块。单片机

17、 STC12C5A60S2 和液晶显示器的接口电路如图 3.4 所示。该图采用间接访问方式，单片机通过 P2.4 口控制 CSA；P2.3 口控制 CSB，以选通液晶显示屏上各区的控制器 HD61202；同时单片机 STC12C5A60S2 用地址 P2.1 作为R/W 信号控制数据总线的数据流向；用地址 P2.0 作为 D/I 信号控制寄存器的选择；E信号由单片机的 P2.2 口产生；另外单片机的复位引脚直接由 P2.5 控制；从而实现了STC12C5A60S2 对内置 HD61202 图形液晶显示器模块的电路连接。电路中 LCD 电源控制端 VO 是用来调节显示屏灰度的，调节该端的电压，可

18、改变显示屏字符、图形的颜色深浅。单片机对液晶显示模块的操作可分为两部分,即左半屏和右半屏操作。93.1 主程序流程图主程序流程图图 11 主程序流程图开始初始化是否到20ms？显示是否到50ms？检测电压、电流值是否否是103.2 显示流程图显示流程图开始显示电流值显示电压值显示功率返回图 12 显示流程图3.3 电压电流检测流程图电压电流检测流程图开始返回电压检测电流检测11图 13 电压电流检测流程图4 测试方案与测试结果测试方案与测试结果4.1 测试条件与仪器测试条件与仪器测试条件：检查多次，硬件电路与系统原理图完全相同，硬件电路无虚焊。各模块均正常工作。道示波器、数字万用表、大功率滑动

19、变阻器、计算机、USB 转串口通信线。4.2 测试方法测试方法首先，根据总体设计方案图进行电路的连接，并检查电路无误后，开通电源。其次，开通数字万用表和示波器，并确定它们正常工作。最后，触摸触摸点，让电压步进增加或减小，观察液晶显示的读数和示波器的读数并进行比较，列表。 （读数包含相应的电流和电压值）多次进行触摸，观察系统的稳定性。负载调整率的定义为电源在输出负载电流变化时，其提供稳定输出电压的能力。所需的设备和连接方式与测电源调整率相似，唯一不同的是需要精密的电流表和与待测电源的输出串联。测试步骤如下：待测电源在正常输入电压及负载情况下热机稳定后，测量正常负载下的输出电压值，再分别于低(Mi

20、n)、高(Max)负载下，测量并记录其输出电压值(分别为 Vmax 与 Vmin)。负载调整率通常以正常的固定输入电压下，由负载电流变化所造成电源输出电压偏差率的百分比。待测电源在正常输入电压和负载情况下热机稳定后，分别于 Min（低）Nomal(通常)，和 Max(高)输入电压下测量并记录其输出电压值。电源调整率通常在一正常之固定负载(Nommal Load)下，看具输入电压变化所造成电源输出电压偏差率(deviation)的百分比。124.3 测试结果及分析测试结果及分析表 1基本要求基本要求 1 1 所测得电路数据所测得电路数据RL55555输入电压7V10V15V20V25V输出电压5

21、.01V5.01V4.99V5.01V5.01V电压调整率符合符合符合符合符合基本要求基本要求 2 2 所测得电路数据所测得电路数据RL55555输入电压5.5V5.8V6V6.5V7V输出电压5.01V5.01V4.99V5.01V5.01V电压调整率符合符合符合符合符合基本要求基本要求 3 3 所测得电路数据所测得电路数据负载5500输入电压7V7V输出电压5.00V5.00V电压调整率符合符合基本要求基本要求 4 4 所测得电路数据所测得电路数据输出电压4.995V5.001V5.000V4.999V5.005V输出电流1.001A0.773A0.675A0.899A0.012A输出功率

22、4.99W3.87W3.38W4.49W0.06W发挥部分发挥部分 1 1 所测得电路数据所测得电路数据RL漏电动作电流动作前 RL 两端电压动作后 RL 两端电压2030mA4.85V0V发挥部分发挥部分 2 2 所测得电路数据所测得电路数据理论漏电动作电流实际漏电动作电流误差值30mA29.8mA99.30%发挥部分发挥部分 3 3 所测得电路数据所测得电路数据接入功耗20mA综上所述，本设计达到设计要求。13附录附录 1：原理图：原理图12348D1LM358G1D2S3Q21122+C22200UF12C110412R31K12R51K12R450K12C3222132C4TL4311

23、2R610K12R710K12R810K12C5104+C61000UFVCCVCCG1D2S3Q112R10.05/5W112233R21KAABB123D10CON3OUTC12R?100k12R?100kD1J?CON112R?2KD?LED123456D1SW-PB12R50.05223311Q18550VCC12345D4JDQD3DIODEVCC12R6100k12R12100k12345678U335812R13100k12R7100k12R810K12R1410K1234D2CON412R9200K1122C3301122C4301122Y112MHZP101VCC40P112

24、P0039P123P0138P134P0237P145P0336P156P0435P167P0534P178P0633RESET9P0732RXD10EAVP31TXD11ALEP30INT012PSEN29INT113P2728T014P2627T115P2526WR16P2425RD17P2324X218P2223X119P2122GND20P2021U2STC89C52VCCP10P11P12P13P14P15P16P17P30P31P32P33P34P35P36P37P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27RST112233445

25、5667788J4CON81122334455667788J5CON81122334455667788J6CON81122334455667788J7CON8P00P01P02P03P04P05P06P07P10P11P12P13P14P15P16P17P20P21P22P23P24P25P26P27P30P31P32P33P34P35P36P37112233445566778899J3CON912R10100P351122R1110K1122S1SW-PBVCCK2P34+C1100UF12C2104VCC12R110K12R40.0523148U1A12R210K12R3500k132R1

26、6TL43112R151KVCCP111J2CON11J1CON1DYDYDYDYVCC14附录附录 2：PCB 图图15附录附录 3：源程序：源程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ=P37;/ds18b20 与单片机连接口sbit RS=P30;sbit RW=P31;sbit EN=P32;unsigned char code str1=temperature: ;unsigned char code str2= ; uchar data disdata5;uint tvalue;/温度值

27、uchar tflag;/温度正负标志/*lcd1602 程序*/ void delay1ms(unsigned int ms)/延时 1 毫秒（不够精确的） unsigned int i,j; for(i=0;ims;i+) for(j=0;j0;i-) DQ = 0; /给脉冲信号 dat=1; DQ = 1; /给脉冲信号 if(DQ) dat|=0 x80; delay_18B20(10); return(dat); void ds1820wr(uchar wdata)/*写数据*/ unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = wdata&0 x01; delay_18B20(10); DQ = 1; wdata=1; read_temp()/*读取温度值并转换*/ uchar a,b; ds1820rst(); ds1820wr(0 xcc);/*跳过读序列号*/ ds1820wr(0 x