一種新型帶漏電保護和功率測量顯示的LDO裝置的設計

謝永超 ，張文初 ，劉 彤 ，熊 異

（1.湖南鐵道職業技術學院，湖南 株洲 412001；2.西南交通大學，四川 成都 610031）

隨著信息科學的快速發展，電源技術變得越來越重要。因低壓差線性穩壓器（LDO）的體積小、高電源抑制比、功耗小、低噪聲以及應用端電路簡單等優點在眾多電源中，受到人們的普遍關注。此外，由于LDO還具有較好的線性瞬態響應和負載瞬態響應，使它在便攜式、工業化、汽車行業等領域占有重要地位，比如在PDA、MP3播放器、無線電話、DDR等電子設備中應用廣泛。因此，LDO的設計成為當前電源技術領域的研究熱點，具有重要的理論意義和實際應用價值[1-2]。諸多論文從過流、過熱、過溫等功能出發，設計了不滿足不同功能的LDO，但是未見具有漏電保護和功率測量顯示功能的LDO的論文發表。本文設計了一款額定輸出電壓5 V、額定輸出電流為1 A、帶漏電保護和功率測量顯示的低壓差線性穩壓器（LDO）。

1 LDO系統方案設計

該LDO系統由LDO電源模塊、功率測量模塊和漏電保護電路組成（如圖1所示）。LDO由電流源、基準電壓源、誤差放大器、調整管及采樣電路組成，設計電源額定電壓5 V，輸出電流1 A的性能指標要求；功率測量模塊將采集的電路信號輸入到差分放大電路放大，然后輸入到STC12C5A60S2單片機自帶的A/D轉換模塊，將模擬信號轉換為數字信號，再通過單片機進行功率計算，通過液晶顯示功率；漏電保護模塊將采集的信號輸入到放大電路，進行信號放大，將放大的兩路信號通過比較放大后控制RS觸發器的輸出信號，控制繼電器驅動電路，實現漏電保護和自動切斷。

2 單元電路設計

1）LDO電路設計

該電源由恒流源 （核心部件為PNP管Q1、NPN管Q2）、基準電壓源（穩壓管 D1）、誤差放大器（集成運放 OP295）、調整管（兩只PNP管 Q4和Q5構成）及采樣電路組成，達到了電源額定電壓5 V，輸出電流1 A的性能指標要求。取樣電壓加在比較器OP295的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準電壓U z相比較，兩者的差值經放大器OP295放大后，控制串聯調整管的壓降，從而穩定輸出電壓。當輸出電壓Uout降低時，基準電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅動電流增加，串聯調整管壓降減小，從而使輸出電壓升高。相反，若輸出電壓Uout超過所需要的設定值，比較放大器輸出的前驅動電流減小，從而使輸出電壓降低。具體電路如圖2所示。

圖1 LDO系統設計框圖Fig.1 The system design diagram of LDO

圖2 LDO單元電路Fig.2 The unit circuit of LDO

2）功率測量單元電路

該模塊將采集到的采樣電阻R14兩端的電壓信號輸入到由集成運放OP252構成的差分放大電路放大，然后輸入到采用STC12C5A60S2單片機自帶的A/D轉換模塊，將模擬信號轉換為數字信號，再通過單片機進行功率計算，通過液晶顯示功率。具體電路如圖3所示。

3）漏電保護單元電路

該模塊將采集的信號輸入到專用集成儀表放大芯片INA333構成的放大電路，進行信號放大，將放大的兩路信號通過比較放大后控制RS觸發器的輸出信號，控制繼電器驅動電路，實現漏電保護，并通過執行機構繼電器實現自動切斷。具體電路如圖4所示。

3 輸出功率測量顯示程序流程圖

主程序中主要對AD，LCD、定時器進行初始化。AD采用STC12C5A60S2自帶AD端口P1.1，P1.2，以8位分辨率進行采集模擬電壓，并通過計算轉換為實際的電壓、電流；定時器定時1 ms，每次中斷進行計數，計數到1 000次時為1 s，這時候通過AD轉換采集Uout，和Iout，并計算瞬時功率，同時送LCD進行顯示。所以顯示刷新率為1 s，每1 s刷新采集一次瞬時電壓、電流和功率。程序流程圖如圖5所示。

圖3 功率測量電路Fig.3 Circuit of power measurement

圖4 漏電保護電路Fig.4 Circuit of leakage protection

圖5 系統程序流程圖Fig.5 The program flow chart of system

4 測試結果

1）RL阻值固定為5Ω。當直流輸入電壓在7~25 V變化時如表1所示。

表1 輸出電壓測試表Tab.1 Test table of output voltage

2）RL阻值固定為5Ω。當直流輸入電壓在5.5~7 V變化時如表2所示。

3）直流輸入電壓固定在7 V，當LDO輸出電流由1 A減小到0.01 A時如表3所示。

表2 輸出電壓測試表Tab.2 Test table of output voltage

表3 輸出電壓測試表Tab.3 Test table of output voltage

4）將RL接到漏電保護裝置的輸出端，阻值固定為20Ω，R和電流表A組成模擬漏電支路。調節R，將漏電動作電流設定為25 mA。當漏電保護裝置動作后，RL兩端電壓為0 V并保持自鎖。排除漏電故障后，按下S1恢復輸出。要求漏電保護裝置沒有動作時，輸出電壓=4.9 V。

5）實現了功率測量與顯示，能實時顯示穩壓電源的輸出功率。

5 結 論

文中設計了一款額定輸出電壓5 V、額定輸出電流為1 A、帶漏電保護和功率測量顯示的低壓差線性穩壓器（LDO），測試結果表明，當負載阻值為5Ω，直流輸入電壓在5.5~7 V變化時，輸出電壓穩定在4.98 V，輸入電壓在7~25 V變化時，電壓調整率為0.2%；直流輸入電壓固定在7 V，LDO輸出電流由1 A減小到0.01 A時，負載調整率為0.1%；當漏電電流≥25 mA時，漏電保護裝置動作，負載電阻兩端輸出電壓為0 V，并保持自鎖。具有較強的實踐意義。

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