CMOSIRF4905直流稳压电源及漏电保护装置(261组)

1、直流稳压电源及漏电保护装置摘要：本设计以International Rectifier公司的第五代P沟道增强绝缘栅型功率场效应管IRF4905为作为调整管，使用精密电阻分压采样与精密稳压源进行比较放大构成反馈电路，构建了线性直流稳压电源，满足低压差和较高压差的DC-DC变换；同时通过单片机对电流的比较和运算，以及三极管对稳压电源的启动开关，实现数控漏电保护功能。整个系统具有输出电压误差小，电压调整率低，电流误差小，微弱电流漏电保护的特点，并设计了人性化的操作界面和的功能，具备有产品的特性。关键词：DC-DC；场效应管；精密稳压源；反馈电路；漏电保护；电压调整率目 录一、系统方案论证和比较1(一

2、)方案一 ：三端稳压集成电路1（二）方案二：三极管串联稳压电路1（三）方案三：场效应管稳压电路2（四）方案比较和选择3二、系统具体设计与实现3（一）系统详细结构框图3（二）主要电路设计与分析计算4（三）软件控制8（四）创新8（五）制作工艺9三、测试方案与结果9（一）基础部分9（二）发挥部分11附录1：稳压电源和漏电保护电路12附录2：单片机最小系统13附录3：参考书目142一、系统方案论证和比较根据大学课程所学和查阅资料，不能选择开关类型的集成电源芯片，也不能利用工作在开关状态的三极管稳压电路，我们将焦点主要集中在直流稳压电路的低电压线性实现和电流的检测方法这两个关键点上，一步一步的分析和和搭

3、建电路验证，从下面的三个方案中找到了满足任务要求的方案。 (一)方案一 ：三端稳压集成电路 由于要求是输出电压达到5V，额定输出电流为1A，我们首先想到了用三端稳压集成电路7805作为稳压电源核心，该系统结构如图1所示。该方案系统结构如图1所示，采用单片机作为漏电保护控制器。图1 方案一：三端稳压集成电路该方案中，选用三端稳压集成芯片7805作为稳压电源的核心，单片机作为漏电保护的控制器，具备电路简洁的特点。7805内部的三极管（调整管）的呈现线性放大状态，属于降压型DC-DC，输出电压为5V，有的厂家能够实现1A以上的输出电流；但在实际的应用当中，一方面要求输入和输出电压相差不能太大，特别是

4、输入电压超过12V的时候，多数的7805芯片发热量过大，转换效率降低，容易击穿损坏；另外一方面7805是线性稳压器件，正常情况下有0.7V以及以上的管压压降，有的时候甚至1.2V左右，按照系统要求，在测试低端输入5.5V的直流时候，要求输出能够恒定在5V左右，那么5.5V减去7805芯片的压降，显然不能实现5V的输出。（二）方案二：三极管串联稳压电路根据理论所学，在该方案中我们考虑用用分立元件来构建串联型稳压电路，分立元件首选考虑三极管，该系统结构如图2所示。 图2 方案二：三极管分立元件该方案为三极管串联型稳压电路，调整管选用三极管，工作在线性放大状态，利用电阻分压网络对输出进行采样，然后通

5、过三极管反馈电路对调整管输出进行微调。三极管分为硅管和锗管，硅管的压降一般在0.6到0.7V之间，大功率的可以达到1V的压降，显然在5.5V的输入下，稳压输出小于5V，不能达到要求；而锗管的压降一般在0.2到0.3之间，满足压降的要求，但是锗管少见，高频特性比较差，低频特性存在方向漏电流比较大的缺点，常用于检波电路。在该方案中，电流检测方法采用电阻法，利用较高精度的电阻进行电流采样，为了减小电阻本身所带来的损耗，要求电阻有较好的温漂特性，不适合与电压较高和电流较高的场合。（三）方案三：场效应管稳压电路选择绝缘栅型场效应管作为调整管，构建稳压电路，该系统如图3所示。 图3 方案三：场效应管稳压电

6、路该方案中选用MOS管作为调整管，MOS管压降可以到较小的水平，满足低端电压5.5V转换成为5V的要求，利用高精度的采样电阻对MOS管稳压输出进行采样，然后和高精度的基准电压源通过集成的运算放大电路进行比较运算放大，进而调整MOS管的输出。选用集成的电流检测电路，对加漏电保护前后的电流进行监测，进行A/D转换，送入单片机进行比较和运算，判断是否发生漏电现象，通过控制MOS管的工作状态，实现漏电保护。 该方案由于是线性稳压，同样存在转换效率和功耗方面的问题。（四）方案比较和选择经过验证和比较，要达到低电压转换、线性稳压、准确的电流测量等方面的要求，第一和第二种方案不能满足，第三种方案能够满足要求

7、，但是同所有的线性稳压电路一样，存在着转换效率、功耗、散热方面的问题。综上所述，我们选择方案三，同时利用单片机的I/O口，设计了4*4的行列式键盘和利用了128*64的LCD提供美观的显示界面。二、系统具体设计与实现（一）系统详细结构框图经过上面的分析和论证，我们选择了方案三，下面将方案三进一步细化，将一些单元电路加在其中，得到设计方案的详细结构框图，如图4所示。图4 设计详细结构框图 在这个方案中，采用自带A/D转换的单片机对检测的电流和电压模数转换，将切换前后的电压和电流进行对比和预算，并将电压电流值在LCD上进行显示，可以通过设定漏电电流，检测漏电保护装置的控制，通过控制IRF4905的

8、通断来开启和切断稳压电源。同时，利用IRF4905的输出电流为单片机系统提供电流。 整体电路图见附件1。 单片机最小系统见附件2。（二）主要电路设计与分析计算1.稳压电源分析计算 稳压过程定性计算分析 稳压电路由MOS调整管IRF4905、R3和R4构成的分压采样反馈电路、TL431构成的基准电压源、LM318构成的误差放大器、以及Q9014构成的驱动电路等几个部分组成。 图5 稳压电路分析 R3和R4采用阻值为1K的精密电阻的构成的反馈网络，取得采样电压VF（理想情况下应该为2.5V），TL431基准电压为VR（非常接近2.5V），误差放大器反相端输入VF，同相端输入VR，将VR与VF比较并

9、将误差放大后积分，用放大积分后的信号驱动并控制Q9014的工作状态，形成负反馈通道，进而控制IRF4905的工作状态，从而达到维持输出电压VO不变的目的，为了提高稳压电路的性能，误差放大器应具有较高的增益和温度稳定性。控制过程：相关计算： MOS管功耗和散热片选择 MOS管在带负载下的功耗约为P=ViIi-VoIo，在输入为25V，电流为1A的情况下，MOS的功耗约为20W左右，所以必须选择支持20W左右的散热片，如果考虑可靠性，则必须加风扇。 采样分压电阻温飘对稳压的影响从前面的计算和分析过程可以知道，分压电阻对输出有较大的影响，所以选择温漂较小的电阻来作为分压电路。注意这里电路与实际电路有

10、没有区别。在图上要标注VF， 2. 漏电检测电路分析计算漏电的电流检测采用精度较高的集成芯片MAX472，内置精密电阻，能将电流直接转化为电压输出，通过继电器来控制切换，如图6。图6 漏电检测电路漏电检测过程分析当继电器到不带漏电保护支路的输出的时候，通过传感电阻将电流从引入到MAX472内部，同U哦OUT端输出期望的电压，实现从电流到电压的转换，然后把电压送到单片机内部，通过自带的10位 A/D转换成为数字信号。同理，当继电器切换到带漏电保护支路输出的时候，在J2上串接毫伏表表头，调节电阻，通过MAX472典型电路实现电流到电压的转换，并送到单片机内部进行A/D转换。通过单片机比较有无30m

11、l的漏电电流。MAX472的引脚和外围元件MAX472的引脚如图7所示。图7: MAX的引脚分布图MAX472是电流转化为电压的器件，其工作原理如图8所示。图8：MAX472工作原理按照芯片设计和电路分析:Vout=(Isense×Rsense×Rout)/RG，其中Vout为期望输出电压，Isense为传感电阻的电流，Rsense为传感电阻，Rout为输出上拉电阻。其典型配置如图9。图9：MAX472外围元件典型配置 传感电阻和电压输出计算 电流传感电阻和电压计算按照下面的公式进行： Vout=(Isense×Rsense×Rout)/RG，3.关断保

12、护分析计算在关断保护电路中选择三极管通断来间接控制MOS管工作状态的方式，减小MOS管的非工作状态功耗，而不用继电器，继电器在通断的时候，如果后面接了感性负载，容易产生火花，容易烧坏触点，如图10所示。图10 关断保护电路当漏电支路漏电超过30mA时候，单片机输出高电平，加载在Q9013的基极，进而导致Q9014饱和截止，IRF4905截止，稳压电源停止工作。同理，复位采用单片机控制复位方式，给Q9013一个低电平，通过Q9014导致IRF4905导通。（三）软件控制由于采用了自带10位A/D转换的单片机，所以单片机软件控制设计的主要要实现电压值的A/D转换，软件滤波，比较计算，开断保护控制，

13、显示，键盘输入等功能。简要主程序软件流程： 图11：简要主程序软件流程（四）创新本系统不仅仅实现了基础部分的功能，而且实现全部发挥部分功能，设计了30mA的漏电保护装置，模拟漏电保护过程，相比其他的线性稳压电路还有如下创新：n MOS管作为调整管n 采用集成运放作为误差放大器n 采用高精度的基准电压源n 提供指针式电流表n 采用集成的电流检测芯片。（五）制作工艺为了方便携带和美观，购买了直流稳压电源和漏电保护装置的外盒，并通过加工，将LCD显示、接线柱、4*4键盘、指针式电流表灵活布局嵌入在外盒表面，提供测试端口，方便操作和测试。 三、测试方案与结果 测试原理图如下图所示：图12 测试原理图（

14、一）基础部分（1）.测试要求：无漏电保护装置时，在输入电压为7-25V时，接入5欧姆负载，测试输出电压和电压调整率。测试方法：通过单片机控制继电器将把切换开关接在1端，接入5欧姆的负载RL，调整直流电压输入从7V到25V，在高端电压25V的时候，停留几分钟再测试，用外用表测试负载RL两端的输出电压，根据定义计算电压调整率，测试过程重复多次。U01为输入为7V的时候测量的输出电压，U02为输入为25V的时候测量的输出电压。表1：输出电压和电压调整率SU次数测试量测试值（V）电压变动范围（0.05V）电压调整率SU（1%）1UO14.980.020.008%UO25.020.02结果分析：电压变动

15、范围与电压调整率满足设计需求。（2）.测试要求：无漏电保护装置时，在输入电压为5.5V-7V变化时，接入5欧姆负载，测试输出电压。测试方法：通过单片机控制继电器将把切换开关接在1端，接入5欧姆的负载RL，调整直流电压输入从5.5V到7V，选择5.5V、6V、6.5V、7V四个输入电压测试点，用外用表测试负载RL两端的输出电压U。表2：输出电压值测试电压点输出电压值（V）电压变动范围（0.05V）5.5V4.9750.025 6V4.9800.02 6.5V4.990.01 7V5.010.01结果分析：电压变动范围满足设计需求。（3）.测试要求：在无漏电保护装置时，直流输入电压固定在7V，通过

16、滑动变阻器，测试SL测试方法：调节负载电阻从从5欧姆左右降低到500欧姆左右，使电流从1A到0.01A变化，通过万用表测试电流和电压，利用公式计算负载调整率，重复测量多次，其中UO1为500欧姆测试的电压值，UO2为5欧姆实测的的电压值。表3：负载调整率SL次数测试点（欧姆）测试值（V）电压变动范围（0.05V）电压调整率SL（1%）1UO1UO2结果分析：在带负载情况下，电压调整率满足设计需求。(4).测试要求：制作功率测量与现实电路，实时显示稳压电源输出功率测试方法：在无漏电保护装置时，接入5欧姆的负载，串接电流表测量电流I以及测量负载的两端的电压U，通过P=UI，算出稳压电源输出功率，与

17、功率显示输出进行比较。表4：功率显示测量电压U（V）测量电流I（A）测量计算功率P（W）4.9714.97显示电压U（V）显示电流I(A)显示功率（W）4.96514.965 结果分析：由于万用表和电流测量芯片本身所产生的误差，实测功率与显示功率有误差，是两种不同的测试方法引起的，误差在可以允许的范围之内。（二）发挥部分 测试要求：漏电检测与保护装置动作、性能、接入功耗、响应时间测试。测试方法：将切换开关切换到无漏电保护装置，然后接入20欧姆负载RL，测量其电流I1和电压U1，然后切换开关切换到漏电模拟支路，将滑动变阻器与毫伏表串联到支路中，漏电保护装置没有产生动作时候，测量输出电压U2,同时

18、测量在漏电保护装置产生动作时候的电流I2，计算漏电保护电流I= I1-I2,计算与30mA的工作电流误差绝对值=I-30，测量产生漏电保护动作后的RL的两端的电压U3。接入功耗PU1I1-U2I2表5:漏电保护装置动作、性能、接入功耗测试U1I1调节漏电模拟支路，产生漏电保护动作的电流I2漏电保护电流I=I1-I2 动作电流误差绝对值=I-30/30（5%）输出电压U2(4.6V)动作后RL的电压U3(=0V)接入功耗PU1I1-U2I230.013%4.890 其他（漏电保护的相应时间）：一般电器漏电保护的动作响应时间要求小于250mS。本电路的漏电保护响应时间由电流检测芯片MAX472的转换时间、单片机的A/D转换时间、单片机的程序指令处理时间、三极管启动时间、MOS管启动时间等组成，没有电磁感应和电感电容等储能元件的充放电过程，预计响应时间在100ms左右，完全满足漏电保护的需求。结果分析：漏电检测与保护装置，能在较小误差范围内检测到