基于STM32漏電保護(hù)的5 V直流線性穩(wěn)壓源的設(shè)計(jì)

倪 瑛，顧金國(guó)，駱 靜

（1.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京　210016；2.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京210023；3.南京沃澤電氣有限公司 江蘇 南京　210008）

基于STM32漏電保護(hù)的5 V直流線性穩(wěn)壓源的設(shè)計(jì)

倪 瑛1，2，顧金國(guó)3，駱 靜2

（1.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京210016；2.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京210023；3.南京沃澤電氣有限公司 江蘇 南京210008）

設(shè)計(jì)了5 V/1 A 4‰精度低壓差直流線性穩(wěn)壓源，能夠?qū)崿F(xiàn)5.5～25 V寬電壓輸入。采用德州儀器 （TI）TL431B精度4‰并聯(lián)電壓基準(zhǔn)，作為電壓閉環(huán)反饋控制主IC，從而確保整個(gè)電路的輸出電壓5‰精度。其中意法半導(dǎo)體的Cortex-M3內(nèi)核STM32 AM7采用外部高精度基準(zhǔn)源，通過(guò)內(nèi)置12 bit AD實(shí)時(shí)的對(duì)工作電流、工作電壓、漏電流、輸出功率、漏電流功耗采樣，處理完有效數(shù)據(jù)在顯示器件上顯示，同時(shí)控制相關(guān)部件對(duì)電源進(jìn)行軟、硬件的短路和漏電保護(hù)。經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)際電路的測(cè)試，能夠?qū)崿F(xiàn)最低輸入電壓5.3 V，最高輸入電壓45 V 0.2%的輸出精度，漏電流采樣精度的絕對(duì)值≤5%。

直流；線性穩(wěn)壓源；漏電保護(hù)；低壓差；高精度

電源是為電子設(shè)備提供電能的設(shè)備，電源電路中一般包含多個(gè)單元電路和系統(tǒng)電路，在諸多的電源中，使用的最為廣泛的是直流電源［1］。有些用電設(shè)備對(duì)電源的要求較高，要求精度很高，在模擬電路中如有：AD、DA、小信號(hào)調(diào)理放大、甚至一些軍工產(chǎn)品微波信號(hào)處理等等均對(duì)電源提出了很高的要求。因此設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的、高精度、大容量的線性電源非常重要。

為了更好地做好線性電源的設(shè)計(jì)［2］工作，首先需要了解各類電源的特性。區(qū)別線性電源和開(kāi)關(guān)電源電路［3-4］的關(guān)鍵是看電路中晶體管的工作狀態(tài)，若是工作在放大狀態(tài)，且晶體管起到一個(gè)反饋調(diào)節(jié)最用，則是線性電源；若是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，晶體管的目的是為了產(chǎn)生高頻信號(hào)，則是開(kāi)關(guān)電源。因此，線性電源的輸出非常穩(wěn)定，紋波極小，這是優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是工頻變壓器和大電容體積巨大，不能集成，且調(diào)整管工作在放大狀態(tài)，耗能和發(fā)熱巨大，導(dǎo)致電源效率不高且整體發(fā)燙。此外，調(diào)整管發(fā)熱大，需要大的散熱片，也是一大缺點(diǎn)。從而可以得出MIC29302A電壓輸出精度為2%、LM7805電壓輸出精度為4%為L(zhǎng)DO線性電源，而LM2576、LM2596電壓輸出精度為4%為DC to DC開(kāi)關(guān)電源，上述可見(jiàn)要做到精度高于1%的線性穩(wěn)壓電源是件有價(jià)值和技術(shù)難度事情。本文設(shè)計(jì)采用價(jià)格低廉的TL431BIDBZR 5‰精度并聯(lián)電壓基準(zhǔn)源、調(diào)整管IRF540低導(dǎo)通內(nèi)阻RDS（ON）≤77 mW，高耐壓100 V N溝道MOS管、千分之一精度分壓取樣電阻，保證了電源輸出電壓精度5‰（≤0.3 V）的極低壓差。

1　設(shè)計(jì)說(shuō)明

整個(gè)電源包括以下幾個(gè)部分：閉環(huán)穩(wěn)壓及繼電器保護(hù)電路、系統(tǒng)電源管理部分、STM32 ARM7電流采集、控制和顯示電路。

1.1閉環(huán)穩(wěn)壓及繼電器保護(hù)電路

如圖1所示。在本電路中主要由IRF540、ICL7660、2SC3518及TL4318BIDBZR組成。IRF540是N溝道MOS管，主要作用是將輸入為5.5～25V的直流電壓轉(zhuǎn)換至5V電壓的輸出，同時(shí)為了保證輸出的精度，利用TL4318BIDBZR提供一個(gè)電壓基準(zhǔn)，通過(guò)兩個(gè)1‰精密電阻R1和R2將監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的電壓控制在5 V精度為4‰。TQ2SA-5 V為松下10pin的5 V精密繼電器，開(kāi)始時(shí)確保5 V的電壓接到負(fù)載RL中，主要是當(dāng)漏電電流超過(guò)閾值時(shí)，使得繼電器動(dòng)作，切斷負(fù)載RL兩端的電壓。在電路中還有兩個(gè)電壓測(cè)試點(diǎn)，位于精密電阻1的兩端，在這里采用精密電阻是為了確保證輸出電壓的精度。有兩路來(lái)源于單片機(jī)的控制信號(hào)，單片機(jī)控制信號(hào)1用于控制2SC3518，主要作用在于電源短路保護(hù)。當(dāng)電源出現(xiàn)短路時(shí)，使得IRF540截止，從而無(wú)輸出。而單片機(jī)控制信號(hào)2，也是通過(guò)控制2SC3518，使得當(dāng)漏電電流超出閾值時(shí)，使繼電器動(dòng)作無(wú)輸出。在電路中有一個(gè)電源電壓采集點(diǎn)位于電阻R3=15 kΩ和 R4=10 kΩ中間，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中采用的STM32 AM7，而此 ARM的工作電壓為 3.3 V，外部基準(zhǔn)電壓為2.495 V，所以+5V的輸出不能直接用單片機(jī)采集，而是采用電阻分壓的形式，只要在單片機(jī)程序中加以處理就可以將采集的電源電壓值通過(guò)顯示方式實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)。除此之外，在本電路中還有ICL7660，ICL7660是Maxim公司生產(chǎn)的小功率極性反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器，作用是將+5 V的電壓反轉(zhuǎn)成-5 V輸出，用于后面差分放大電路的工作電壓。

圖1　閉環(huán)穩(wěn)壓及繼電器保護(hù)電路

1.2差分放大電路供電產(chǎn)生電路

外部輸入5.5～25 V通過(guò)降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器LM2576轉(zhuǎn)換成3.3 V/3 A的主電源，該穩(wěn)定電壓提供給CPU、顯示、后級(jí)電源管理輸入；保證系統(tǒng)在寬電壓范圍條件下可靠運(yùn)行。MC34063目的是為了得到一個(gè)比較高的電壓+15 V提供給MOSFET驅(qū)動(dòng)、差分放大器，因?yàn)镸C34063自身是一個(gè)開(kāi)關(guān)型的DC-DC的電源IC輸出紋波比較大，不適合直接提供電壓給AD620差分放大器，所以在中間加入LM1117ADJ LDO的三端可調(diào)線性穩(wěn)壓IC將+15 V轉(zhuǎn)換為+10 V電壓，該電壓保證了不超過(guò)ICL7660最高電壓，又能給MOSFET提供一個(gè)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電壓。ICL7660輸出的-10 V與LM1117ADJ輸出的+10V同時(shí)提供給雙電源工作的差分放大器，這樣保證對(duì)本設(shè)計(jì)線性電源輸出電流采樣精密電阻1進(jìn)行上端采樣。

圖2　系統(tǒng)電源管理

1.3單片機(jī)信號(hào)采集、控制和顯示電路

在本設(shè)計(jì)中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源電壓和漏電電流，當(dāng)電源電壓超過(guò)某一閾值時(shí)，則使得IRF540截止無(wú)輸出，從而實(shí)現(xiàn)電源的短路保護(hù)；當(dāng)漏電電流超過(guò)30 mA時(shí)，啟動(dòng)漏電電流保護(hù)，使得繼電器動(dòng)作。除此之外，通過(guò)顯示方式實(shí)時(shí)顯示電源電壓、電源電流以及漏電電流的大小。在此電路中采用STM32單片機(jī)［5-6］，STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，自身帶有11路AD轉(zhuǎn)換接口，無(wú)須外加ADC轉(zhuǎn)換芯片，簡(jiǎn)化了本電路的設(shè)計(jì)。但是STM32單片機(jī)的工作電壓為3.3 V，所以為了使得信號(hào)能夠接入到單片機(jī)，所以必須先進(jìn)行處理，使得信號(hào)在3.3 V以下。從電源轉(zhuǎn)換電路中采集到的兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)電壓位于精密電阻1的兩側(cè)，通過(guò)采集到精密電阻1兩側(cè)的電壓，并將這兩個(gè)電壓值送入AD620差分電路，并控制電路的放大倍數(shù)，將最終輸出的電源電流（即流過(guò)精密電阻1）轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠接收的，并且與電源電流線性關(guān)系的輸出電流。漏電電流的采集則是通過(guò)采集精密電阻2右側(cè)的電壓（左側(cè)通過(guò)繼電器已經(jīng)接地），將此值送到AD620差分電路進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠接收的并且與漏電電流線性關(guān)系的輸出電流。最后通過(guò)顯示方式將采集的電源電壓、電源電流以及漏電電流實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)。另外電源短路保護(hù)電流大小和漏電電流的閾值可以通過(guò)程序設(shè)定。

圖3　STM32 ARM7信號(hào)采集、控制和顯示電路

通過(guò)STM32采集電源電壓、電源電流和漏電流的程序段如下：

ADCConvertedValueLocal［0］=（float）ADCConvertedValue ［0］/4096*3.3；//電源電壓

ADCConvertedValueLocal［1］=（float）ADCConvertedValue ［1］/4096*3.3；//漏電電流

ADCConvertedValueLocal［2］=（float）ADCConvertedValue ［2］/4096*3.3；//電源電流

2　實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)要求制作了電源實(shí)驗(yàn)板，并且采用液晶顯示，實(shí)時(shí)顯示電源電壓、電流以及漏電電流大小。對(duì)實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試中所接負(fù)載為5 Ω時(shí)，當(dāng)輸入電壓在7～25 V時(shí)，使用萬(wàn)用表測(cè)量的輸出電壓以及液晶顯示的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)1

連接方式不變，設(shè)定輸入電壓固定7 V，電流在1～0.01 A時(shí)，測(cè)出輸出電壓和實(shí)測(cè)電壓如表2所示。

表2　實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)2

另外，在測(cè)試電源保護(hù)和漏電保護(hù)時(shí)，在程序中設(shè)置的短路保護(hù)電流為1.3 A，漏電電流保護(hù)為30 mA，在實(shí)測(cè)中可以實(shí)現(xiàn)，即使存在誤差的情況下，可以通過(guò)程序調(diào)整。

3　結(jié)論

本論文主要給出了一種帶有漏電保護(hù)的高精度的5 V線性穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中可以將5.5～25 V的直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)? V 4‰精度的電壓，該輸出電壓精度取決于并聯(lián)電壓基準(zhǔn)TL431B的精度，這就是該設(shè)計(jì)的優(yōu)越性（輸出電源的精度決定于基準(zhǔn)精度），目前設(shè)計(jì)中采用TL431B的精度為4‰，如需要更高精度的線性穩(wěn)壓電源可通過(guò)器件的選擇滿足電源更高精度。經(jīng)實(shí)際電路測(cè)試可以得出電源的穩(wěn)定度小于0.2%，能夠滿足絕大部分用電設(shè)備的精度要求。并且通過(guò)STM32實(shí)現(xiàn)電源短路和漏電保護(hù)，并通過(guò)液晶顯示實(shí)時(shí)顯示各參數(shù)。另外，在電路設(shè)計(jì)中需要特別注意電路集成電路的選型，目前市場(chǎng)上有很多仿造的芯片，使用后造成參數(shù)不能達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，除此之外就是電路中器件的選型，參數(shù)及大小對(duì)于最終電路的設(shè)計(jì)精度也有很大的影響。

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The design of 5V DC linear stabilized voltage source with leakage protection based on STM32

NI Ying1，2，GU Jin-guo3，LUO Jing2
（1.College of Electronic and Information Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Power and Electric Engineering Department，NanJing Institute of Industry Technology，Nanjing 210023，China；3.NanJing WoZe Electric Co.，Ltd，Nanjing 210008，China）

This paper gave the design of 5 V/1 A 4‰precision and low dropout DC linear stabilized voltage source，which can achieve the 5.5～25V wide input voltage.In this design TI TL431B，which can realize 4‰accuracy parallelvoltage reference，was used as voltage close loop feedback to control main IC，to ensure the output voltage 5‰ precision.The STMicroelectronics Cortex-M3 kernel STM32 AM7 using external high precision reference source，sampled working current and voltage，leakage current，output power，leakage power through the built-in 12bit AD converter and displayed the valid parameters on display device.At the same time，STM32 AM7 can control the relevant components to provide short circuit and leakage protection with software and hardware.After the actual circuit testing，this design outputted high precision voltage of 0.2%precision even in the minimum input voltage 5.3 V，and the maximum input voltage 45 V.The absolute value of leakage current was less than 5%.

DC；linear stabilized voltage source；leakage protection；low dropout；high precision

TN7

A

1674－6236（2016）13-0164-03

2015-07-01稿件編號(hào)：201507002

2014年度江蘇省智能傳感網(wǎng)工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心開(kāi)放基金立項(xiàng)項(xiàng)目（ZK14-02-02）

倪 瑛（1979—），女，江蘇丹徒人，博士研究生，講師。研究方向：電子與通信技術(shù)。