直流稳压电源及漏电保护装置设计
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直流稳压电源及漏电保护装置设计
摘要
本设计分为线性直流稳压电源和漏电保护装置两大部分，线性直流稳压电源为输出电压+5V，额定输出电流为1A的直流稳压源，当直流输入电压在7~25V 变化时，输出电压为5±0.05V，电压调整率Su≤1%；当直流电源稳定在7V，调整直流电流由1A到0.01A时负载调整率Sl≤1%，采用OP284运放组成反馈电路实时调节PMOS管源极和漏极间的导通压降，从而使输出电压维持稳定；功率测量与显示电路采用AT89S52单片机控制TLC1549AD转换器实时转换电源输出电压、电流和功率并用LCD12232进行实时显示。动作电流为30mA漏电保护装置对整个电路进行实时漏电流保护。
关键字：线性直流稳压电源，OP284集成运放，AT89S52，漏电流保护装置
目录
1系统组成 (1)
2系统方案的论证与选择 (1)
3系统理论分析与设计 (4)
3.1硬件电路的分析与设计 (2)
3.1.1 主电路 (3)
3.1.2 负反馈电路 (2)
3.1.3输出电压电流检测放大电路 (2)
3.1.4单片机控制电路 (2)
3.1.5 漏电流保护装置电路 (3)
3.2 软件设计 (4)
4 测试方案与测试结果 (4)
4.1 测试条件与仪器 (4)
4.2 测试结果与分析 (4)
4.2.1 测试结果（数据） (5)
4.2.2 测试分析与结论 (6)
1.系统组成
本系统主要有线性直流稳压电源模块，电源输出电压、电流及功率检测显示模块和漏电保护装置模块，如下图1所示。具体地说，线性直流稳压电源模块是输入直流电压5.5~25V，输出额定电压5V，在宽电压输入的情况以及负载变化的情况下，通过实时采样输出电压，与基准电压进行比较，得出误差，然后进行PI调节，最终去调节PMOS 管的压降，从而稳定输出电压。电源输出电压、电流及功率检测显示模块是通过51单片机系统控制电子选择开关分别采样输出电压和电流，并控制AD转换器进行转换，经过处理后送液晶显示。漏电流保护装置是通过分别检测输出主干电路和负载支路的电流，获得电流差（漏电流）与基准电流差进行比较处理，然后通过RS触发器的逻辑控制，最终控制MOS管对负载支路的通断实现漏电流保护。
图1 系统框图
2．系统方案的论证与选择
方案一：线性并联稳压管稳压电路
由稳压管组成的并联稳压电路主要是由稳压管、一个负载电阻和限流电阻组成，主要通过稳压管自身的电流调节作用并通过限流电阻转化为电压调节作用，从而达到稳压的作用。
方案二：线性串联型稳压电路
线性串联稳压电路是通过负反馈实时控制调整管的压降来实现稳压输出，从负反馈角度看是一个电压串联负反馈电路，电压负反馈能稳定输出电压。
稳压管稳压电路在负载电流较小且变化不大的场合，简单实用而被广泛应用，但在要求输出电流较大、输出电压可调、稳定精度较高的场合不太适应，所以综合以上两种方案，选择第二种方案。
3. 系统理论分析与设计
3.1 硬件电路的分析和设计
硬件电路的分析和设计主要包括主电路、负反馈回路、输出电压电流检测放大电路、单片机控制电路、漏电流保护电路等几部分。
3.1.1 主电路
Q1
S1SW-SPDT
图2 主电路图
主电路主要是采用串联型稳压电路结构，调整管采用PMOS 管，一方面是考虑到MOS 管的导通电阻较小，功耗比较小，另一方面是考虑到能在输入输出压差较小的情况下选择P 沟道MOS 管。 3.1.2 负反馈回路
图3 负反馈回路
负反馈回路是通过电阻分压形式采样输出电压（见主电路），与基准电压2.5V （该电压由精密稳压器TL431获得）进行比较，得出误差，然后通过PI 调节后输出控制电压到PMOS 管的栅极，通过改变源-栅极电压，从而调节PMOS 管的压降，来实时稳定输出电压。
3.1.3输出电压电流检测放大电路
输出电压检测是通过简单的电压串联分压获得，无需放大可以直接送AD 转换；输出电流是通过在主回路中串接一个0.1Ω的采样电阻，采样输出电流，转换成电压然后进行一级放大（20倍左右）之后送AD 转换。 3.1.4 单片机控制电路
单片机控制电路采用51单片机AT89S52来实现三方面的任务：（1）控制电子开关CD4051来进行AD 通道选择，具体的是选择输出电压和输出电流两个AD 转换通道；（2）控制10位AD 转换器TLC1549对电子开关选择的两个通道的模拟电压进行AD 转换；（3）对AD 转换值进行处理，软件滤波和补偿，然后进行功率计算，之后通过数值转换最终送液晶显示器LCD12232进行实时显示输出电压、电流以及功率的显示。三个量的显示均采用三位，保留两位小数点。
+5V
GND
VCC IN
+5V
S1
PON/OFF
1
2
3
4
5
6
7
8
J8
P1
1
2
3
4
5
6
7
8
J10
P3
1
2
3
4
5
6
7
8
J7
P0
1
2
3
4
5
6
7
8
J9
P2
P27
R EF+
1
AIN
2
R EF-
3
GND
4
C S/S DA
5
DO/SC L
6
C LK/C S
7
VCC
8
U3
TLC1549
+5V
GND
+5V
R19
2K
1
2
J13
GND
C10
105
1
2
3
J14
C9
104
12
J12
R18
5.1K
C1
104
P
1
.
5
1
P
1
.
6
2
P
1
.
7
3
R
S
T
4
P
3
.
5
N
C
6
P
3
.
1
7
P
3
.
2
8
P
3
.
3
9
P
3
.
4
1
P
3
.
5
1
1
P3.6
12
P3.7
13
X2
14
X1
15
GND
16
NC
17
P2.0
18
P2.1
19
P2.2
20
P2.3
21
P2.4
22
P
2
.
5
2
3
P
2
.
6
2
4
P
2
.
7
2
5
P
S
E
N
2
6
A
L
E
2
7
N
C
2
8
E
A
2
9
P
.
7
3
P
.
6
3
1
P
.
5
3
2
P
.
4
3
3
P0.3
34
P0.2
35
P0.1
36
P0.0
37
VCC
38
NC
39
P1.0
40
P1.1
41
P1.2
42
P1.3
43
P1.4
44
U1
P89C51R B2
X1
11.0592M
C11
22
C12
22
+5V
R ST
+5V
+5V
LCS
SID
SC LK
VLC D
1
2
3
4
5
6
7
8
LCD1
12232S
+5V
P10
P11
P12
P13
P14
P15
P16
P17
P20
P21
P22
P23
P24
P25
P26
KRS T
P30
P31
P32
P33
P34
P35
P36
P37
P00
P01
P02
P03
P04
P05
P06
P07
C2
104
C5
104
C6
104
ADC LK
ADDO
ADC S
R V2
10K
C0
104
GND
GND
1
2
3
4
5
6
7
8
LCD2
12232S
R24
51
P00
B
1
C
2
E
3
Q1
9014
+5V
+5V
P01
R23
5.1K
P02
LA
P03
P04
P05
P06
P07
1
2
3
4
5
6
7
8
9
PR1
A202-9
E1
10uF
LA
C13
104
3
2
1
D1
LM336-2.5V
R V1
10K
AD_IN
I/O0
13
I/O1
14
I/O2
15
I/O3
12
I/O4
1
I/O5
5
I/O6
2
I/O7
4
A
11
B
10
C
9
INH
6
I/O
3
VDD
16
VEE
7
VSS
8
U5
C D4051
+5V
ADD_A
ADD_B
IO1
IO2
VS1
VS2
AD_IN
ADD_C
ADD_A
ADD_B
ADD_C
AD_IN
1
2
3
4
5
P4
C ON5
C ont ro l
图4 单片机控制电路图
3.1.5 漏电流保护装置电路
该装置主要包括：漏电流检测、放大电路；漏电流比较电路；通过RS触发器实现的通断动作和自锁控制电路；通过MOS管实现的通断开关；RS触发器的上电和手动复位电路。
具体动作原理分析：如下组图所示，通过两块MAX4070芯片对电路中主干路和负载支路分别进行电流采集，并进行差值（代表漏电流大小）运算、放大，接着与设定的参考漏电流值（此处对应的是30mA)进行比较，若该值大于设定值则输出输出低电平信号，送至RS触发器的置1端，此时触发器的反相输出端输出低电平信号，再通过驱动送至MOS管的栅极，使其关断从而切断负载，起到漏电流保护作用。当故障排除后，漏电流小于当前设定值，经比较后输出高电平送至RS触发器的置1端，因RS触发器此时处于保持输出状态，因而反相输出端继续输出低电平信号送至MOS管栅极，使其保持原先关断状态，从而实现自锁功能。在此状态下，若要恢复输出，通过按下复位按钮，给RS触发器提供一个低电平信号，使其产生输出复位，而其反相输出端则刚好输出高电平信号，送至MOS管栅极，使其导通，从而恢复给负载供电。上电瞬间通过阻容充放电电路提供RS触发器复位输入端（置0端）一个复位信号，使反相输出端送出高电平信号至MOS管栅极，使其导通，电源给负载正常供电。
图5 高端电流采样电路图