直流穩壓電源及漏電保護裝置設計

寸彥萍, 楊長保

(1. 云南開放大學 機電工程學院, 云南 昆明 650223；2. 吉林大學 地球探測科學與技術學院, 吉林 長春 130026)

直流穩壓電源及漏電保護裝置設計

寸彥萍1, 楊長保2

(1. 云南開放大學 機電工程學院, 云南 昆明 650223；2. 吉林大學 地球探測科學與技術學院, 吉林 長春 130026)

提供一種線性直流穩壓電源及漏電保護裝置的設計方法,以芯片LM2577、LM2576和單片機為核心制作DC—DC轉換器,提供額定輸出電壓為5 V±0.05 V、額定輸出電流為1 A的直流穩壓電源。可以實現直流電壓輸入5.5～25 V,輸出電壓保持在 5 V±0.05V,電壓調整率SU≤1%；當輸入電壓為7 V,直流穩壓電源輸出電流由1 A減小到0.01 A,負載調整率SL≤1%,并能夠實現功率測量與實時顯示,能夠實現對模擬漏電支路的漏電保護動作。

直流穩壓電源； DC—DC轉換器； 漏電保護； LM2576/7； 單片機

在現代生活中,各種高科技產品對電源技術性能指標的要求越來越高,為了提高電源的使用性能(如可靠性、安全性、可維修性、高的功率密度、高的性價比、環境適應性等)和提高電源的電氣性能(如源電壓特性、效率、源效應、負載效應、輸出電壓電流的紋波與噪聲等),更好地為生產、生活服務,目前電源技術已經朝智能化、數字化、模塊化和綠色化方向發展,它已經融合了電氣、電子、系統集成、控制理論、材料等領域[1],使產品更環保、更節能,因此也擁有廣闊的發展前景。通過研究已有的一些設計[2-5],本文提出了一種基于線性直流穩壓電源及漏電保護裝置的設計方法。

1 各模塊設計與選擇

1.1 直流穩壓電源模塊方案選擇

采用LM2577升壓開關穩壓器芯片與LM2576降壓開關穩壓器芯片組合的升壓降壓穩壓器,輸出電壓為5 V。LM2577可調升壓開關穩壓器內部具有過流、低壓、溫度保護功能,輸入電壓范圍為3.5～40.0 V,以電流模式工作提高了線性調節、電流限制、檢測電阻的靈敏度等功能；具有軟啟動功能,避免過大的啟動電流損壞電路,最大輸出電流為3 A(最大電壓為65 V),LM2577可提供5 V及可調輸出電壓范圍為1.23～37 V等多個電壓檔次。LM2576輸入電壓為5.0～40 V,最大輸出電流3 A。

1.2 微處理器的選擇

微處理器作為本裝置功率測量與顯示模塊的核心部件,本設計采用單片機作為控制系統的核心部件,它除了具備微機CPU的數值計算功能外,還具有靈活強大的控制功能,以便實時檢測系統的輸入量、控制系統的輸出量,實現自動控制。

1.3 顯示電路的設計

采用液晶顯示器顯示,除了簡單、普通顯示外還能顯示特殊的字符,而且功耗也比數碼管的要低,更有利于節約能源。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比,不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多,且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。為了達到3位數字顯示(最大顯示數為999),能自動顯示小數點和單位，所以本系統選用性價比很高的12864液晶模塊。

1.4 A/D模塊選擇方案

由于本系統對電壓調整率和負載調整率要求較高,同時為了提高功率測量及顯示部分的分辨率,本系統采用TI公司的TLC2543[6],它是一種 12位串行模數轉換器,使用開關電容逐次逼近技術完成A/D轉換過程。由于是串行輸入結構,能夠節省51系列單片機I/O資源,還可以直接與帶SPI接口的器件進行連接,不需要其他外部邏輯,且價格適中,分辨率較高。

1.5 漏電保護裝置的選擇方案

本系統采用模擬電路方式實現,線路比較簡單,功耗低,可以通過采樣得到漏電電流,再通過放大比較電路獲得驅動電平,使漏電保護繼電器動作,從而切斷負載。該方案具有簡單和節能、性價比、低功耗等優點。

2 系統設計思路

本系統(設計框圖見圖1)硬件主要包含4個模塊:微控制器模塊、直流穩壓電源調整模塊、漏電保護控制模塊以及液晶顯示模塊。微控制器選用 STM32,電源額定輸出電壓5 V ,微控制器根據采樣到的電壓計算出功率,并實時顯示穩壓電源的輸出功率及漏電電流。負載電流超過30 mA時漏電保護裝置動作,轉換開關S接2端的回路與直流穩壓源斷開,負載電阻RL兩端電壓為0 V并保持自鎖。排除漏電故障后,按

下K恢復輸出。圖1中R為漏電電源調整電阻，K為漏電保護電路復位按鈕。S打到1，系統作直流穩壓電源使用；S打到2，系統作為漏電保護的直流穩壓電源使用。

圖1 系統設計框圖

3 單元電路設計

3.1 DC—DC轉換器

LM2577升壓開關穩壓器芯片與LM2576降壓開關穩壓器芯片組合的升壓降壓穩壓器,是額定輸出電壓為5 V、額定輸出電流為1 A的直流穩壓電源。原理框圖見圖2。

圖2 DC—DC轉換原理框圖

3.2 A/D轉換器

模數轉換器是一種用來將連續的模擬信號轉換成適合于數字處理的二進制數的器件,其原理框圖如圖3所示。由圖中看出,模數轉換的輸入量有兩種:模擬輸入信號Vi和參考電壓Vref,其輸出的是一組二進制數。本設計采用的是12位的A/D TLC2543芯片。

圖3 A/D轉換原理圖

3.3 漏電保護裝置

圖4為漏電保護裝置原理框圖。本系統漏電保護方法：使用繼電器J的常閉觸點接在負載前,當電流過大時,電流經過放大繼電器線圈得電,線圈吸合,繼電器常閉觸頭斷開,電路負載處于斷路狀態,能保護電路的過流。

圖4 漏電保護裝置原理框圖

4 系統硬件設計與實現

4.1 DC—DC電路設計

這部分是整個系統的核心部分,DC—DC轉換電路分為升壓部分和降壓部分。當輸入電壓信號為5.5～7 V,電路采用2個元件參數一樣的LM2577構成核心的升壓電路并聯,輸出電壓為11 V,輸出電流比單個升壓電路更穩定；當輸入電壓信號為7～25 V時,以LM2576為核心的降壓電路能輸出穩定的電壓5 V±0.05 V,設計電路見圖5。

圖5 DC—DC電路

4.2 漏電保護電路設計

漏電保護電路如圖6 所示。當系統出現漏電(負載電流超過30 mA)時,漏電保護裝置(繼電器J)動作,轉換開關S接2端的回路與直流穩壓源斷開,RL兩端電壓為0 V 并保持自鎖。排除漏電故障后,按下K恢復輸出。采樣電路中,由于漏電電流、采樣電阻都小,因此我們在前級加入了一個放大電路以增加放大倍數,提高保護裝置的靈敏度,電流誤差的絕對值在≤5%以內。

圖6 漏電保護電路

5 數據測試結果及分析

5.1 系統測試儀器及測試方法

測試儀器:本系統主要測試輸出電壓、輸出電流,故選用數字式萬用表；功率測量選用AT89S52單片機、A/D轉換器和液晶顯示。

測試方法:測試電壓時,在帶負載的情況下,萬用表測量直流穩壓電源的輸出電壓；測電流時,在帶負載的情況下,萬用表與負載串聯測量電流；功率測量時,對采樣電阻兩端的電壓放大,A/D轉換把放大的模擬量轉化為數字量,經過AT89S52單片機對數字量的處理,控制液晶顯示穩壓電源實時功率[7]。

5.2 系統測試

測試使用的儀器為數字式萬用表。

(1) 轉換開關S接1端,RL阻值固定為5 Ω,當直流輸入電壓在7～25 V 變化時,輸出電壓及實測數據見表1。

表1 7～25 V電壓時系統測試結果

(2) 轉換開關S 接1端,RL阻值固定為5 Ω。當直流輸入電壓在5.5～7 V 變化時,輸出電壓見表2。

表2 5.5～7 V電壓時系統測試結果

(3) 轉換開關S 接1 端,直流輸入電壓固定在7 V,當直流穩壓電源輸出電流由1 A 減小到0.01 A 時,負載調整率SL≤1%。測試結果見表3。

表3 7 V電壓時系統測試結果

5.3 測量結果分析

(1) 轉換開關S 接1 端,RL阻值固定為5 Ω。當直流輸入電壓在7～25 V 變化時,輸出電壓為5 V±0.05V以內。

100%≈0.24%

實測電壓調整率Su=0.24%≤1%,滿足要求。

(2) 轉換開關S接1 端,RL阻值固定為5 Ω。當直流輸入電壓在5.5～7 V 變化時,輸出電壓為5 V±0.05 V以內。

(3) 轉換開關S接1 端,直流輸入電壓固定在7 V,當直流穩壓電源輸出電流由1 A 減小到0.01 A時。負載調整率:

100%=0.1%

所以負載調整率SL=0.1%≤1%,滿足要求。

(4) 轉換開關S接2端(見圖1),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(見圖1)。調節R,將漏電動作電流設定為30mA。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K恢復輸出。漏電保護裝置沒有動作時,實測輸出電壓>4.6 V。

5.4 漏電檢測分析

得到漏電電流,再通過放大比較電路后獲得驅動電平,使繼電器動作,從而驅動切斷負載[8],原理框圖見圖7。

圖7 漏電檢測原理圖

5.5 關斷保護分析

在漏電保護電路里設有漏電保護裝置的復位開關K來實現關斷保護。

6 結論

本文設計了一種以芯片LM257/6和單片機為核心的直流穩壓電源及漏電保護裝置。該系統可以穩定和精確地輸出5 V電壓,額定電流1 A；輸入電壓為7～25 V時,輸出電壓調整率為0.059%；輸入電壓為5.5～7 V時,輸出電壓為5 V±0.05 V；固定7 V輸入電壓時,負載調整率為0.2%。系統是一種理想的直流穩壓電源解決方案,改變了傳統的直流穩壓電源的設計,具有新穎性、獨創性、先進性和環保性。

References)

[1] 李國鋒.王寧會.電源技術[M].大連：大連理工大學出版社，2010.

[2] 張明洋.一種5V線性直流穩壓電源及漏電保護系統設計[J].中國電子商務,2013(22):235-236.

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[4] 楊欣.電子設計從零開始[M].北京:清華大學出版社,2005：32-352.

[5] 黎會鵬.直流穩壓電源及漏電保護裝置設計[J].現代商貿工業,2014,26(5):187-188.

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[7] 黃智偉.全國大學生電子設計競賽：技能訓練[M].北京:航天航空大學出社,2008:29-32.

[8] 何希才.穩壓電源電路的設計與應用[M].北京:中國電力出版社,2006.

A design for DC stabilized power supply and leakage-protection device

Cun Yanping1, Yang Changbao2

(1. College of Mechanical& Electrical Technology,Yunnan Open University, Kunming 650223， China； 2. College of Geo-exploration Science & Technology,Jilin University, Changchun 130026， China)

This paper proposes a design for the linear DC stabilized power supply and leakage-protection device with taking the chips of LM2577,LM2576 and the single-chip microcomputer as the core to produce a DC—DC converter,meanwhile,it provides the DC stabilized power supply with the rated output voltage of 5 V±0.05 V and the rated output current of 1 A.It can achieve that 5 V±0.05 V of output voltage is maintained with 5.5-25 V of input DC voltage whose voltage regulation factor(SU) is less than or equal to 1%.At the same time,the output DC regulated power supply current will reduce from 1 A to 0.01 A when the input voltage is 7 V,and the load regulation rate(SL) will be less than or equal to 1%,it gets the aim of power measurement and real-time display,what’s more,it can also realize the protection-action to the leakage of the simulation-leakage branch.

DC regulated power supply; DC—DC converter; leakage protection; LM2576 / 6; single chip microcomputer

2014- 12- 31

國家“863”計劃課題“復雜地形重、磁三維反演技術”(2006AA06Z107)；國家自然科學基金重點項目“長白山火山演變歷史及潛在的危險”(40930314)資助

寸彥萍(1973— )，女(白族)，云南鶴慶，碩士，講師，主要從事電氣科學的教學和研究.

E-mail：yangcb2008@163.com

TN86

A

1002-4956(2015)7- 0099- 05