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直流稳压电源及漏电保护装置
2013年全国大学生电子设计竞赛
直流稳压电源及漏电保护装置（L题）
【高职高专组】
2013年9月6日
摘要
利用LM358和pmos管IRF9540设计一种超低压差稳压电源电路。
电路器件选用常规器件，成本低。
结构简单。
本电路包括主线性变换电源电路、显示控制电路和漏电保护控制电路三部分。
其中主线性变换电源电路基于VLDO原理设计，调整管采用pmos管IRF9540。
压降可以达到0.2V。
功率显示电路采用液晶，由单片机控制。
漏电保护控制电路采用单片机控制，对高低电位分别采用MAX4173和运放组成电流采样电路，由单片机控制继电器控制电源开关。
文章的最后提出系统的软件设计方案，设计了各个功能模块的软件流程图。
关键词：
VLDO单片机电流采样电路
1系统方案
本系统主要主线性变换电源电路、显示控制电路和漏电保护控制电路三部分。
，下面分别论证这3个模块的选择。
1.1线性直流稳压电源系统的论证与选择
方案一：
低压差稳压电路
图1低压差稳压电路
采用PNP型功率管作调整管，并且不需要驱动管。
可大大降低输入-输出压差。
满载时输入-输出压差的典型值小于500mV，轻载时仅为10~50mV。
但低压差线性稳压器有其不足之处，即所需的基极驱动电流及静态工作电流Id较大。
满载时若PNP管的β值为15～20倍，则LDO的Id≈（5%～7%）Io。
由它产生的功耗会限制稳压器效率的进一步提高，这在电池供电的低功耗系统中是不容忽视的问题。
方案二：
准低压差集成稳压电路
图2准低压差集成稳压电路
它兼有普通集成稳压器驱动电流小、低压差集成稳压器输入-输出压差低的优点。
但其容量可比低压差稳压电路用得小，对电容的等效串联电阻（ESR）要求较低。
方案三：
超低压差稳压电路
图3超低压差稳压电路
采用P沟道功率场效应管MOSFET来代替PNP型功率管作为调整管，MOSFET本身还带保护二极管（VD）。
P沟道MOSFET属于电压控制型器件，其栅极驱动电流板小，而通态电阻非常低，通态压降远低于双极性晶体管的饱和压降，这不仅能大大降低输入-输出压差，还能在微封装下输出更大的电流。
综合以上三种方案，选择方案三。
1.2电流检测系统的论证与选择
方案一：
低端电流检测法
图4低端电流检测法
该电路虽然体积小、电路简单且很容易采用一个基本的同相增益级来实现。
但是需要排布从地至负载的返回接线，增加了额外的电阻且有几种故障状态是低端检流电路检测不到的，这会使负载处于危险的情况。
方案二：
传统高端检测法
图5传统高端检测法
采用差分运放做增益放大并将信号电平从高端移位到参考地。
VO=IRS*RS；R1=R2=R3=R4该方案已广泛应用于实际系统中，但该电路输入电阻相对较低，等于R1、输入端的输入电阻一般有较大的误差值、要求电阻的匹配度要高，以保证可接受的CMRR。
任何一个电阻产生1%变化就会使CMRR降低到46dB；0.1%的变化使CMRR达到66dB，0.01%的变化使CMRR达到86dB。
高端电流检测需要较高的测量技巧，这促进了高端检流集成电路的发展。
而低端电流检测技术似乎并没有相应的进展。
方案三：
MAX4173高端电流检测法
图6MAX4173高端电流检测法
输出电压与检流电阻的关系式为：
Vo=Gain*Rsense*Iload;Gain=B*RGD/RG1Gain
通过以上计算公式可看出，CMRR由内部集成检流电路的工艺决定（典型值>90dB），不再受外部电阻的影响。
且器件的一致性好、极好的温漂特性、体积小、低功耗、使用方便。
综合以上三种方案，选择方案三。
1.3漏电保护系统的论证与选择
方案一：
漏电保护系统
图7漏电保护系统
使用了直流三端可调组件LM317配以12V变压器,让电压可以在113V～1415V之间连续可调,这样就解决了以上问题,满足了实验需要。
利用LM317组件有过热过流自保护功能,只需再设置短路声光报警功能,便可提示学生及时关闭电源,进而排除实验故障。
利用本设计改进的稳压电源,由于采用了集成元件,使其内部结构简洁、易维修,且性能稳定、使用方便。
故采用该方案。
2单元电路设计
2.1线性直流稳压电源
2.1.1线性直流稳压电源原理图
图8线性直流稳压电源电路原理图
2.1.2线性直流稳压电源原理分析
该电路由TL431提供2.5V的基准电压，采用P沟道功率场效应管MOSFET来代替PNP型功率管作为调整管，MOSFET本身还带保护二极管（VD）。
R4，C3组成积分电路延缓跳变电压。
C1，C2，C5，C6起滤波作用。
采用P沟道功率场效应管MOSFET来代替PNP型功率管作为调整管，MOSFET本身还带保护二极管（VD）。
P沟道MOSFET属于电压控制型器件，其栅极驱动电流板小，而通态电阻非常低，通态压降远低于双极性晶体管的饱和压降，这不仅能大大降低输入-输出压差，还能在微封装下输出更大的电流。
2.2电流检测系统
2.2.1显示系统电路原理图
图9显示系统电路原理图
2.2.2显示系统电路原理分析
MAX4173的工作原理如图6所示。
方框内的部分是该芯片的内部结构,其中A1和A2是两个运算放大器,构成差动输入,这样可以增强抗干扰能力,提高小电流信号的测量准确度;Q1和Q2是两个三极管;COMP是一比较器;Rsence是电流采样电阻,采用热稳定性好、漂移小的康铜丝制作。
方框外面的部分是用户可以根据自己的需要而改变的电路。
其工作原理详述如下：
假定电流是从左向右（如图１中Iload方向所示）流过电流采样电阻Rsence,通过一电阻Rout接地。
这样,运放A1工作,产生电流Iout从Q1的发射极流出。
而此时运放A2是截止的,没有电流从Q2流出。
A1的负输入端（-）电位为：
Vpower=Iload×Rsence,A1的开环增益使其正输入端（+）与负输入端（-）有相同的电位。
故RG1的压降为：
Iload×Rsence,经过计算,电压/电流转换的比例P由下式给出：
P=Vout/Iload=Rsence×（Rout/RG1）
根据上式Rsence取较小的值。
通过（Rout/RG1）把比例Ｐ设置为一个合适的值。
对于小电流,可以获得较大的输出测量电压Vout,避免前述直接测量电流信号太小的缺点;对于较大的电流,又不会对电路的带载能力产生较大的影响。
在电路的具体应用中,电路各参数具体计算要满足该芯片技术条件要求
OUT端的输出电压Vout<（VRG-1.5V）
OUT端的输出电流Iout≤1.5mA
液晶显示器件LCD的显示原理是：
在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，具有偶极矩的液晶棒状分子在外加电场的作用下其排列状态发生变化，使得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现明与暗或透过与不透过的显示效果。
液晶显示器件中的每个显示像素都可以单独被电场控制，不同的显示像素按照控制信号的“指挥”便可以在显示屏上组成不同的字符、数字及图形。
因此建立显示所需的电场以及控制显示像素的组合就成为液晶显示驱动器和液晶显示控制器的功能。
2.3漏电保护系统
2.3.1漏电保护系统电路原理图
图10漏电保护系统电路原理图
2.3.2漏电保护系统电路原理分析
电阻Ri与三极管VQ3组成过流保护环节。
输出电流过大时，取样电阻Ri上的电压大于0.7V，VQ3导通，迫使调整管基极电压Vbe降低，直到关闭电源输出。
R4=0.7/kIC。
其中，LC为输出电流，K为最大过流系数，通常取值约1.5。
R7=（Vcc-Uce3）/Ie3≈Vrg/Ic3，限制Ic3不宜过大，以免VQ3过流损坏。
3系统软件设计
采用数据口和单片机的双向口P0口直接相连。
因为液晶显示模块的控制由CPU控制，他们需要同时读写内存，CPU选用常用的STC12C5A60S2，液晶模块为HITACHI公司KS0108即（HD61202）液晶控制器的单5V供电的128×64点阵液晶。
利用STC12C5A60S2控制液晶显示器,由于它内部有8K字节的FLASH编程和只读存储器（PEROM,用户编制的程序及需要显示的英文字母、数字、汉字、曲线和图形都可以存储在里面，免去了扩展外部存储器的麻烦，使得STC12C5A60S2单片机为核心的控制系统电路更简单
。
因此十分适用于液晶显示。
液晶显示模块的设计具备了很强的通用性，可以被广泛应用到各种系统中。
目前系统一般为3V电平或5V电平系统，因此液晶显示模块的设计也考虑到了，所以采用了5V电平。
液晶显示模块硬件结构框图如图3.4所示。
外部控制器将欲显示的数据写入双口RAM，CPU则不断扫描内存，根据内存中的数据进行相应的处理，不断刷新液晶显示屏上的显示。
综合考虑液晶和系统操作的时序，STC12C5A60S2单片机运行在12MHz时钟下。
外部控制器的数据、地址、控制总线通过接插件引入液晶显示模块。
因为双口RAM的输入输出为TTL电平
，因此作为5V的系统，地址和控制总线可以直接引入。
而数据总线因为是8漏极的双向I/O口，每个引脚可以吸收8个TTL输入。
因此如果直接与数据口相连，在双口RAM输出数据的时候电平会是弱低，使得输出不能正常的工作，因此必须加如8个上10K的拉电阻，这样才能拉高电平，使数据口正常输出。
但是由于液晶显示器和CPU的接口线比较长，CPU不能正常的驱动液晶显示器，因此设计一个总线驱动器，采用74LLS245进行总线电平转换。
这样，显示器就可以正常的工作了。
单片机可以通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式、I/O设备访问形式控制该液晶显示模块。
单片机STC12C5A60S2和液晶显示器的接口电路如图3.4所示。
该图采用间接访问方式，单片机通过P2.4口控制CSA；P2.3口控制CSB，以选通液晶显示屏上各区的控制器HD61202；同时单片机STC12C5A60S2用地址P2.1作为R/W信号控制数据总线的数据流向；用地址P2.0作为D/I信号控制寄存器的选择；E信号由单片机的P2.2口产生；另外单片机的复位引脚直接由P2.5控制；从而实现了STC12C5A60S2对内置HD61202图形液晶显示器模块的电路连接。
电路中LCD电源控制端VO是用来调节显示屏灰度的，调节该端的电压，可改变显示屏字符、图形的颜色深浅。
单片机对液晶显示模块的操作可分为两部分,即左半屏和右半屏操作。
3.1主程序流程图
图11主程序流程图
3.2显示流程图
图12显示流程图
3.3电压电流检测流程图
图13电压电流检测流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试条件与仪器
测试条件：
检查多次，硬件电路与系统原理图完全相同，硬件电路无虚焊。
各模块均正常工作。
道示波器、数字万用表、大功率滑动变阻器、计算机、USB转串口通信线。
4.2测试方法
首先，根据总体设计方案图进行电路的连接，并检查电路无误后，开通电源。
其次，开通数字万用表和示波器，并确定它们正常工作。
最后，触摸触摸点，让电压步进增加或减小，观察液晶显示的读数和示波器的读数并进行比较，列表。
（读数包含相应的电流和电压值）多次进行触摸，观察系统的稳定性。
负载调整率的定义为电源在输出负载电流变化时，其提供稳定输出电压的能力。
所需的设备和连接方式与测电源调整率相似，唯一不同的是需要精密的电流表和与待测电源的输出串联。
测试步骤如下：
待测电源在正常输入电压及负载情况下热机稳定后，测量正常负载下的输出电压值，再分别于低（Min）、高（Max）负载下，测量并记录其输出电压值（分别为Vmax与Vmin）。
负载调整率通常以正常的固定输入电压下，由负载电流变化所造成电源输出电压偏差率的百分比。
待测电源在正常输入电压和负载情况下热机稳定后，分别于Min（低）Nomal（通常），和Max（高）输入电压下测量并记录其输出电压值。
电源调整率通常在一正常之固定负载（NommalLoad）下，看具输入电压变化所造成电源输出电压偏差率（deviation）的百分比。
4.3测试结果及分析
表1
基本要求1所测得电路数据
RL
5Ω
5Ω
5Ω
5Ω
5Ω
输入电压
7V
10V
15V
20V
25V
输出电压
5.01V
5.01V
4.99V
5.01V
5.01V
电压调整率
符合
符合
符合
符合
符合
基本要求2所测得电路数据
RL
5Ω
5Ω
5Ω
5Ω
5Ω
输入电压
5.5V
5.8V
6V
6.5V
7V
输出电压
5.01V
5.01V
4.99V
5.01V
5.01V
电压调整率
符合
符合
符合
符合
符合
基本要求3所测得电路数据
负载
5Ω
500Ω
输入电压
7V
7V
输出电压
5.00V
5.00V
电压调整率
符合
符合
基本要求4所测得电路数据
输出电压
4.995V
5.001V
5.000V
4.999V
5.005V
输出电流
1.001A
0.773A
0.675A
0.899A
0.012A
输出功率
4.99W
3.87W
3.38W
4.49W
0.06W
发挥部分1所测得电路数据
RL
漏电动作电流
动作前RL两端电压
动作后RL两端电压
20Ω
30mA
4.85V
0V
发挥部分2所测得电路数据
理论漏电动作电流
实际漏电动作电流
误差值
30mA
29.8mA
99.30%
发挥部分3所测得电路数据
接入功耗
20mA
综上所述，本设计达到设计要求。
附录1：
原理图
附录2：
PCB图
附录3：
源程序
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitDQ=P3^7;//ds18b20与单片机连接口
sbitRS=P3^0;
sbitRW=P3^1;
sbitEN=P3^2;
unsignedcharcodestr1[]={"temperature:
"};
unsignedcharcodestr2[]={""};
uchardatadisdata[5];
uinttvalue;//温度值
uchartflag;//温度正负标志
/*************************lcd1602程序**************************/
voiddelay1ms（unsignedintms）//延时1毫秒（不够精确的）
{unsignedinti,j;
for（i=0;ifor（j=0;j<100;j++）;
}
voidwr_com（unsignedcharcom）//写指令//
{delay1ms
（1）;
RS=0;
RW=0;
EN=0;
P2=com;
delay1ms
（1）;
EN=1;
delay1ms
（1）;
EN=0;
}
voidwr_dat（unsignedchardat）//写数据//
{delay1ms
（1）;;
RS=1;
RW=0;
EN=0;
P2=dat;
delay1ms
（1）;
EN=1;
delay1ms
（1）;
EN=0;
}
voidlcd_init（）//初始化设置//
{delay1ms（15）;
wr_com（0x38）;delay1ms（5）;
wr_com（0x08）;delay1ms（5）;
wr_com（0x01）;delay1ms（5）;
wr_com（0x06）;delay1ms（5）;
wr_com（0x0c）;delay1ms（5）;
}
voiddisplay（unsignedchar*p）//显示//
{
while（*p!
='\0'）
{
wr_dat（*p）;
p++;
delay1ms
（1）;
}
}
init_play（）//初始化显示
{lcd_init（）;
wr_com（0x80）;
display（str1）;
wr_com（0xc0）;
display（str2）;
}
/******************************ds1820程序***************************************/
voiddelay_18B20（unsignedinti）//延时1微秒
{
while（i--）;
}
voidds1820rst（）/*ds1820复位*/
{unsignedcharx=0;
DQ=1;//DQ复位
delay_18B20（4）;//延时
DQ=0;//DQ拉低
delay_18B20（100）;//精确延时大于480us
DQ=1;//拉高
delay_18B20（40）;
}
uchards1820rd（）/*读数据*/
{unsignedchari=0;
unsignedchardat=0;
for（i=8;i>0;i--）
{DQ=0;//给脉冲信号
dat>>=1;
DQ=1;//给脉冲信号
if（DQ）
dat|=0x80;
delay_18B20（10）;
}
return（dat）;
}
voidds1820wr（ucharwdata）/*写数据*/
{unsignedchari=0;
for（i=8;i>0;i--）
{DQ=0;
DQ=wdata&0x01;
delay_18B20（10）;
DQ=1;
wdata>>=1;
}
}
read_temp（）/*读取温度值并转换*/
{uchara,b;
ds1820rst（）;
ds1820wr（0xcc）;//*跳过读序列号*/
ds1820wr（0x44）;//*启动温度转换*/
ds1820rst（）;
ds1820wr（0xcc）;//*跳过读序列号*/
ds1820wr（0xbe）;//*读取温度*/
a=ds1820rd（）;
b=ds1820rd（）;
tvalue=b;
tvalue<<=8;
tvalue=tvalue|a;
if（tvalue<0x0fff）
tflag=0;
else
{tvalue=~tvalue+1;
tflag=1;
}
tvalue=tvalue*（0.625）;//温度值扩大10倍，精确到1位小数
return（tvalue）;
}
/*******************************************************************/
voidds1820disp（）//温度值显示
{ucharflagdat;
disdata[0]=tvalue/1000+0x30;//百位数
disdata[1]=tvalue%1000/100+0x30;//十位数
disdata[2]=tvalue%100/10+0x30;//个位数
disdata[3]=tvalue%10+0x30;//小数位
if（tflag==0）
flagdat=0x20;//正温度不显示符号
else
flagdat=0x2d;//负温度显示负号:
-
if（disdata[0]==0x30）
{disdata[0]=0x20;//如果百位为0，不显示
if（disdata[1]==0x30）
{disdata[1]=0x20;//如果百位为0，十位为0也不显示
}
}
wr_com（0xc0）;
wr_dat（flagdat）;//显示符号位
wr_com（0xc1）;
wr_dat（disdata[0]）;//显示百位
wr_com（0xc2）;
wr_dat（disdata[1]）;//显示十位
wr_com（0xc3）;
wr_dat（disdata[2]）;//显示个位
wr_com（0xc4）;
wr_dat（0x2e）;//显示小数点
wr_com（0xc5）;
wr_dat（disdata[3]）;//显示小数位
}
/********************主程序***********************************/
voidmain（）
{init_play（）;//初始化显示
while
（1）
{read_temp（）;//读取温度
ds1820disp（）;//显示
}
}
升级会员 