直流穩壓電源及漏電保護設計

劉德玉，胡邦南，黃立峰

(湖南工業職業技術學院 電氣工程系，湖南 長沙 410208)

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直流穩壓電源及漏電保護設計

劉德玉，胡邦南，黃立峰

(湖南工業職業技術學院 電氣工程系，湖南 長沙 410208)

本系統采用兩級穩壓的方式，前級穩壓芯片將高輸入電壓降至8.2 V左右，后級穩壓采用低壓差穩壓芯片MIC29302。系統根據輸入電壓自動選擇相應的穩壓回路，從而保證電壓控制精度、電壓調整率和負載調整率。采用霍爾傳感器檢測漏電電流，當漏電電流超過30 mA時，能準確切斷電源并發出報警。數字電路以單片機為核心，實現電壓與電流的顯示、故障報警、鍵盤數字給定。本系統功能完善，達到了各項設計指標。

穩壓；漏電保護；報警

1 方案比較與論證

1.1 直流穩壓

下面給出三種直流穩壓方案并進行比較。

方案一：由于輸入電壓范圍比較大，考慮用兩級穩壓的方式來實現。第一級采用串聯型穩壓管，進行初步穩壓，采用第二級MIC29302穩壓芯片，進行精密穩壓[1]，如圖1所示。

圖1 方案一框圖

方案二:用三端穩壓管雙級穩壓。直流輸入電壓首先經過穩壓芯片7805初步穩壓，再經過第二級LM2940精密穩壓電路把電壓穩定在5 V[2-3]，如圖2所示。

圖2 方案二框圖

方案三:用三端穩壓管雙級穩壓。設置了一個判斷電路,當輸入電壓大于8.2 V時，采用兩級穩壓，當輸入電壓小于8.2 V時，第一級穩壓電路被旁路，輸入信號直接進入第二級精密穩壓。精密穩壓芯片采用MIC29302，低壓差，能夠在5.3 V輸入時輸出5 V[4-5]，如圖3所示。

圖3 方案三框圖

經仔細分析和論證后，只有方案三完全滿足題目要求。直流穩壓模塊帶自適應的兩級穩壓方式，初級穩壓采用LM317,精密穩壓采用MIC29302。

1.2 漏電保護裝置

方案一:采用電阻采樣電流，經AD轉換后送單片機比較得到漏電電流值，然后用繼電器去控制輸出電路通斷[6]。

方案二：采用霍爾元件作為漏電電流檢測元件，當有漏電發生時，霍爾元件產生感應電流，再送到放大和比較電路輸出信號，然后用晶體管組成的自鎖電路去控制場效應管，以控制輸出電路的通斷[7]。

方案一中由于采樣電阻與被測元件串聯，無法實現隔離測量，而且繼電器工作功耗比較大。方案二測量電路和被測電路沒有直接的接觸，靈敏度較高，采用電子開關工作功耗很低。綜合考慮，漏電保護裝置選擇方案二。

2 總體設計及理論分析計算

2.1 系統總體方案

系統主要包括三個部分：穩壓電源、漏電保護裝置及單片機系統。單片機部分包括AD采樣、按鍵和顯示部分[8]。系統的總體結構框圖如圖4所示。

圖4 系統總體框圖

圖5 前級穩壓及比較電路

系統采用兩級穩壓方式，當外部輸出電壓進入電壓比較器進行比較，當電壓大于8.2 V時，旁路通道關閉，第一級的三端穩壓管LM317工作，電壓初步穩定在6.5 V左右。6.5 V電壓信號再進入到低壓差穩壓管MIC29302MC精密穩壓到5 V。如果外部輸入電壓小于8.2 V，電壓比較器將控制場效應管打開旁路通道，這時第一級穩壓被旁路，輸入電壓直接進入到低壓差穩壓部分進行精密穩壓。

功率測量及顯示采用宏晶科技生產的高速單片機STC12C5A60S2實現。在輸出端采用霍爾傳感器采集輸出電流并轉換為電壓信號，經A/D轉換后送到單片機處理，單片機計算后把功率送到顯示器并進行語音播報。

漏電保護裝置由場效應管電子開關、漏電檢測元件、電壓放大，電壓比較器和復位按鍵構成。霍爾元件構成的漏電檢測部分檢測當前電流差值，并與設定值30 mA比較，如果漏電電流大于30 mA將控制場效應管關斷并自鎖，這時輸出電壓降為0 V，故障清除后，按下復位開關，輸出電壓恢復。

2.2 穩壓部分分析

穩壓電源部分采用兩級穩壓模塊，后級精密穩壓的輸入電壓為5.5～8.2 V。后級穩壓芯片MIC29302MC的指標為：最大輸出電流3 A，電壓調整率<1%，負載調整率小于1%，輸出電流1.5 A時壓差為250 mV，完全滿足題目要求[9]。

2.3 漏電檢測部分分析

假設漏電保護裝置的輸出電流為I1，經過負載后返回電流為I2，則電流的差值就是漏電電流：ΔI=I1-I2。正常的情況下不漏電時，ΔI=0；反之ΔI>0。兩個電流I1和I2采用霍爾傳感器采樣檢測出來,再經過放大處理，送比較電路。使用LM311比較器進行比較，漏電電流是否達到30 mA，當未達到30 mA時正常輸出；當漏電電路電流超過30 mA時，電路自鎖保護，在故障排除后按下開關S1即可恢復輸出。

3 單元電路設計

3.1 直流穩壓模塊設計

第一級穩壓及旁路電路如圖5所示。

D1、R1、R2和Q4和Q5構成電壓比較器，當輸入電壓低于穩壓管導通電壓時，MOS管導通，旁路低電壓場效應管導通，前級穩壓被旁路。當電壓大于8.2 V時，穩壓二極管導通，Q4、Q5導通，MOS管Vgs電壓小于它的導通電壓，MOS管截止，旁路低電壓場效應管關斷，LM317和TIP35、TIP42組成穩壓擴流電路工作，當電壓小于8.2 V時，采用精密穩壓電路。比較電壓和LM317輸出電壓可以調整。

第二級穩壓電路如圖6。

3.2 漏電保護電路模塊

場效應管保護和霍爾元件采樣電路如圖7所示。

圖7 漏電保護電路

漏電保護自鎖裝置由Q4和Q2構成，場效應管Q1構成保護開關。J3和J4分別接霍爾元件的兩級線圈。兩級線圈分別檢測線路的注入和流出端，然后把這組差分信號送到放大電路控制Q1管動作。經測試當漏電電流大于30 mA時，Q1關斷同時自鎖電路工作并且語音模塊響應報警聲音信號，在故障排除后按下開關S1即可恢復輸出同時語音提示解除報警信號。漏電小于30 mA時，保護電路輸出高電平，Q2和Q4都不動作，當漏電大于30 mA時，輸出低電平，Q2導通，然后Q4導通，形成自鎖，去控制MOS管，MOS管截止，停止輸出。

3.3 AD采樣模塊

本模塊由兩路A/D7705采集電路構成，完成輸出電壓和電流信號的采集，再經處理傳送給單片機。TL431是給AD采樣提供穩定的基準電壓，從而讓測量更加穩定，電壓是通過精密電阻分壓A/D測量，電流是通過霍爾電流傳感器，主要是工作內阻超低，然后送到A/D口進行檢測。

4 系統軟件設計

圖8 主控流程圖

系統主程序流程圖如圖8所示。主程序開始對內部功能寄存器、端口、液晶顯示模塊等初始化，然后在主循環中對鍵盤和輸出端被測電壓、電流進行采集，經處理后得到當前功率，電路完成測量并把信息顯示在LCD液晶屏上。

5 系統測試

5.1 基本功能測試

(1) 電壓調整率測試

當轉換開關S接1端，負載RL固定為5 Ω，直流輸入電壓在7～25 V變化時，測出的輸出電壓如表1所示。

電壓調整率計算：

(2) 負載調整率測試

轉換開關S接1端，直流輸入電壓固定為7 V，當直

表1 電壓調整率測試

流穩壓電源輸出電流由1 A減少到0.01 A時，測出的輸出電壓如表2所示。

表2 負載調整率測試

從上面的數據來看，本設備數據達到設計要求：輸出電壓變化為5±0.05 V時，電壓調效率SU≤1%。

5.2 發揮部分功能

轉換開關S接2端，負載固定為20 Ω，R和電流表A組成模擬漏電電路，調節R設定漏電電流為30 mA，當調節輸入電壓在5.5～25 V變化時，漏電保護裝置無動作時，測量出保護裝置輸出電壓如表3所示。

表3 漏電保護裝置測試

轉換開關S接2端，R和電流表A組成模擬漏電電路，調節R使漏電電流為變化，當漏電保護裝置動作時，測量出漏電電流數據如表4所示。

表4 漏電保護動作電流誤差測試

從上面的數據來看，本設計達到要求：漏電保護裝置動作電流誤差絕對值≤5%。

6 總結

本設計采用宏晶科技生產的8051系列高速單片機STC12C5A60S2，利用MIC29302MC進行兩級精密穩壓，以霍爾元件為漏電檢測元件，場效應管保護開關，帶語音和顯示實時輸出功率模塊，經測試完全達到并超出了設計要求。

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

Liu Deyu, Hu Bangnan, Huang Lifeng

(Faculty of Electronics Engineering, Hunan Industry Polytechnic, Changsha 410208, China)

The method of two-level voltage regulator is implemented in the system, the input voltage will be drop to around 8.2 V by the first voltage regulated chip, and MIC29302MC is taken as the second voltage regulated chip. The system automatically selects the corresponding voltage stabilizing circuit according to the input voltage, to ensure the voltage control precision, the voltage adjustment rate,and the load adjustment rate. Using Hall sensor to detect the leakage current, when the leakage current is more than 30 mA, the system is able to cut off the power supply and issue an alarm.The digital circuit unit is based on MCU. The display of the voltage and current,and fault alarm function are implemented. The system has comprehensive performance, and can satisfy all requirements.

regulator; leakage protection; alarm

TN86

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.12.026

劉德玉，胡邦南，黃立峰.直流穩壓電源及漏電保護設計[J].微型機與應用，2017,36(12)：87-90.

2016-12-22)

劉德玉(1982-)，男，碩士研究生，講師，主要研究方向：自動控制。

胡邦南(1969-)，男，碩士研究生，教授，主要研究方向：智能檢測與智能控制系統。

黃立峰(1972-)，男，碩士研究生，講師，主要研究方向：智能控制。