一種直流穩壓源及漏電保護裝置設計

【摘要】本文直流穩壓源設計實現了較低的電壓調整率和負載調整率，較大的輸入電壓范圍（5.5V～25V）。采用LM317一級穩壓， LT1529可調輸出二級穩壓，通過控制繼電器切換實現分級穩壓，額定輸出功率可達到1A。功率測量使用采樣電阻，其兩端電壓經差分運放AD623放大后進行單片機AD采樣與功率轉換、顯示。漏電保護電路的設計采用純模擬方法，精密電阻分壓后經AD623差分放大，接入LM311比較器，再接繼電器自鎖模，即可精確實現漏電保護功能，動作電流誤差的絕對值小于1%，漏電保護電路功耗低于20mW。

【關鍵詞】流穩壓電源；漏電保護；LT1529；分級穩壓

1.引言

隨著電子設備向高精度、高穩定性和高可靠性的方向發展，對電子設備的供電電源提出了高的要求。直流穩壓電路是后級的功能電路正常穩定工作的前提，一種寬輸入電壓范圍、可調輸出電壓、低的電壓調整率和負載調整率，安全可靠的直流穩壓電源的設計至關重要。本文設計了一種較低的電壓調整率和負載調整率，較大的輸入電壓范圍，輸出電壓可調，自帶漏電保護裝置的直流穩壓電源，具有廣泛的實用價值。

2.總體設計方案

為了達到較低的電壓調整率和負載調整率，本設計中前端穩壓電路采用LT1529可調輸出電壓穩壓芯片為主穩壓芯片，該芯片額定輸出電流最高可達3A，可接受最低輸入電壓5.5V，性能出色，在輸入電壓大于15V時，自動切換為兩級穩壓結構，避免LT1529輸入電壓過高。本設計使用AD623差分儀表運算放大器對采樣電阻上的壓降進行放大，使用MSP430F149最小系統板來實現電壓采集、功率計算，并使用1602顯示功率和電流。后級的漏電保護電路采用AD623差分儀表運算放大器對兩個采樣電阻上的電壓進行差分放大實現漏電檢測，使用LM311電壓比較器控制繼電器自鎖電路控制輸出電路通斷。電路由純模擬元件構成，具有精度高功耗低的特點。

3.前端穩壓電路設計

3.1 前端穩壓電路設計

LT1529可調輸出為3.3V～14V，額定輸出電流最高達3A，但輸入電壓最大僅為+15V。為了同時滿足高壓穩壓和低壓穩壓，采用分級穩壓的方案，分級切換控制電路采用遲滯比較器連接電磁繼電器控制穩壓，輸入低于14.5V時，直接使用LT1529穩壓，高于14.5V時先用LM317穩壓，再經過LT1529穩壓輸出。本文采用LM317做一級穩壓，額定輸出為1.5A。前端穩壓模塊分級切換功能使用比較器LM311實現。

3.2 功率測量與顯示電路

使用差分運放放大采樣電阻兩端電壓，經AD采樣、單片機計算可以實現測量與顯示功率，差放抗干擾，能準確的放大采樣信號，因此可令采樣電阻阻值較小，不至于影響輸出電壓。由于電源為正向單電源，不能使用一般的雙電源差分運放，采用AD623，電路簡單，性能穩定。使用單片機驅動1602進行功率值的顯示。

前端可調穩壓電路實際設計如圖1所示。分5個模塊，一級穩壓電路、級聯切換電路、主穩壓電路、獨立穩壓供電電路和功率測量電路。其中，獨立穩壓電路供給級聯切換電路，使其在切換前后都能穩定工作。

4.后端漏電保護電路設計

4.1 漏電檢測分析

漏電保護常用的檢測方法為采樣電阻采樣測電流差異，漏電要精準測量出30mA量級的電流，這要求檢測電路精準、抗噪。本文使用采樣電阻和差分運放對漏電流差值進行計算。上下兩端使用相同的采樣電阻，對采樣差值進行差分放大，即可精準檢測到漏電流。之后做比較，繼電器控制線路通斷。

4.2 關斷保護電路分析設計

關電保護電路采用自鎖電路，控制繼電器切斷通路，如圖2中的關斷保護電路：Vctl為前級比較器輸出的控制電壓，當漏電達到閾值時，Vctl為高電平，控制C9013三極管的集射極導通，使C9012導通，繼電器動作使線路關斷。此時反饋電阻Rb12將C9013基極拉高，保持C9013通路，實現自鎖功能。自鎖的解除需要斷電，所以關斷電源后，可以解除自鎖。

綜上所述，后端漏電保護電路實際設計電路圖如圖2所示。

后級的漏電保護電路分為三個模塊，由AD623差分儀表運算放大器和兩組精密采樣電阻組成的漏電差分檢測電路，由LM311電壓比較器組成的漏電流閾值判定電路，和閾值判定電路控制的繼電器自鎖電路組成的關電保護電路。電路由純模擬元件構成，具有精度高功耗低的特點。

5.系統調試和測試分析

5.1 測試方法

（1）RL阻值固定為5Ω。當直流輸入電壓在7～25V變化時，測量輸出端電壓變化；連接方式不變，RL阻值固定為5Ω。當直流輸入電壓在5.5～7V變化時，測量輸出電壓；

（2）轉換開關接輸出，輸入電壓固定在7V，調節負載電阻阻值，測量輸出電壓。連接方式不變，直流輸入電壓固定在7V，分別聯結5歐姆和500歐姆電阻，測量輸出電壓。

（3）直流輸入電壓固定在20V，聯結500歐姆電阻，調節前端控制輸出電壓的電阻，測量輸出電壓。

（4）設置前端輸出5V，將后級漏電保護電路接上，輸出接20Ω負載，測量輸出電壓。將200歐姆滑動變阻器和電流表接入電路，調節電阻從26mA漏電流增大測關斷電流。

5.2 測試結果

6.結論

本文所設計直流穩壓源及漏電保護裝置達到較高性能，所有指標均達到較高標準，實現了較低的電壓調整率（S-U≤1%）和負載調整率（SL≤1%），較大的輸入電壓范圍（5.5V～25V），可調輸出電壓（3.3V～14V），額定功率可達到1A，漏電保護功能靈敏（動作電流誤差的絕對值<1%），功耗低（<20mW）的各種要求

參考文獻

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作者簡介：陳章余（1981—），男，江蘇新沂人，碩士，講師，南京工程高等職業學校電子工程系系副主任，研究方向：嵌入式系統、電工電子。