具有漏电保护的直流稳压电源设计.docx

第 卷第 期畅兰州工业学院学报 年 月 文章编号：（ ）倡具 有 漏 电 保 护 的 直 流 稳 压 电 源 设 计吴年祥 ，陈小林（中国地质大学 机电学院，湖北武汉； 安徽国防科技职业学院 机电工程系，安徽六安）摘要：设计了一种基于 单片机的直流稳压电源及漏电保护系统采用 分立元器 件组成的串联型稳压电路对电压变化进行自动调整，使输出直流电压稳定，高侧测量电流并联监 视器 采集电源电流信号，利用 位 模数转换器将电流信号转换成数字信号，通 过 液晶屏上实时显示测量出的电压、电流、功率实验表明该漏电保护直流稳压电源输出电 压为 ，输出额定电流为 ，电压调整率和负载调整率都小于 ，系统误差较小，能够满 足直流稳压电源及电网漏电保护的各项性能指标要求 关键词：漏电保护；模数转换器；单片机；液晶显示器 中图分类号：文献标志码：0引言随着现代科学技术的迅速发展，我国经济建设 和人民生活水平的不断提高，电子产品都应具有直 流稳压电源因此，设计出一款稳定的直流稳压电 源及漏电保护已经成为所有电子产品设计师迫在 眉睫的任务目前，在一些行业中，电子产品失电征 象非常严峻，电能耗损、浪费现象尤为严重直流的 电能浪费，一方面影响国家能源紧缺，同时企业经 济效益蒙受很大损失；另一方面电池的浪费，直接 对环境的污染该直流稳压电源及漏电保护装置的 研制与开发能够全面有效地抑制直流稳压电源稳 定性与漏电现象，对小电子产品的稳定性进一步提块等组成，如图 所示图 1系统原理框图11串联稳压模块分立元器件串联型直流稳压电路，由基准电压 电路，滤波电路，调整管，比较放大电路、采样电路等组成的近似闭环，系统使输出电压自动稳定在 高，从而对电子产品的寿命以及对人安全的保护具 范围内，输出一个电压差，为后级电源有十分重要的意义1系统方案设计本系统主要由串联稳压模块、电流监测模块、模数转换模块、主控器模块、漏电保护模块、显示模的漏电保护提供了一个好环境12电流监测模块采用美国 司 推 出 的 电 流 监 测 芯 片 与被测电流支路的某一电阻并联，将被测电流流经 电阻产生的电压降转化成电流输出，具有较强的共倡 收稿 日期：-基金项目：安徽省省 级质量工 程特色 专 业（ ） ；电工电 子 省级示 范 实 验 实 训 中 心 （ ） ；安 徽 国 防 科 技 职 业 学 院 院 级 骨干教师科 研项目作者 简介：吴 年 祥（ -） ， 男 ，安 徽安庆 人 ，实 验师，硕士 兰 州 工 业 学 院 学 报 第 卷模抑制能力13模数转换模块采取 通道全差分模拟输入、 位 的 转换器，使用 电源供电，便于低频测量利 用 -转换技术实现十六位无误代码性能， 三线 数字接口，可以通过串行输入接口由软件配置芯片的增益值、输入信号极性和数据更新速率，具备自行校准和系统校准功能，能够消除器件自身和系统 的增益以及偏移误差，适用于开发智能系统、微控 制器系统14系统主控制模块以 单片机为核心，无需扩展相关 的接口电路，实现整个电源系统的控制此微控制 器技术目前较为成熟，内部资源充足，硬件电路设 计经济简单，系统设计当中尽可能的使用软件代替硬件以节约成本，提高系统的可靠性15显示模块显示模块采用 中文字 符库液 晶显示屏，该显示器具备低功耗、轻薄短小、 可视范围大，平面直角显示分辨率高且不闪烁等优势该液 晶显示屏实现良好的人机界面，让直流稳压电源的 电流、电压、功率一望而知2电路与程序设计21串联型稳压电路设计串联稳压电路结构如图 所示其工作原理：当 输入电压为 时，通过两个电容进行 低、高频滤波，电压跟随器使输入电压更稳压，再通 过精密电压调节器 和外部电阻输出电压为 的基准电压供后级 比较放大电路与 此后级采样的电压信号进行电压比较，实现电压的 闭环调整其中 与 为串联 型稳压 电 路的调整复合管， 主是是 因为直 流负载 电流的 变化，其变化量经采样，比较，放大后送到调整管的基 极，使调整管的集 电极与 发射极 也发生 相应的 变 化，最终调整输出电压使之保持稳定22电流监测电路设计图 2串联稳压电路随着芯片集成度和布线密度的不断提高，电子 产品电源产生断路、短路、漏电等故障时有发生为 了减少测量电路对 被测电 流的影 响， 该系统 使用 公司的高侧测量电流并联监视器 芯片 作为电流输出，再通过电阻转换为电压信号电流监测电路如图 所示其中，R 为并联电阻，I 为被测电流，I 流过 R 将产生电压降 V ，当 V 施加到集成内部运算放大 器正向输入电阻 R 上时，电路将产生一个电流进 入 晶体管 Q 的集电极，外接电阻 R 将输出电 图 3电流监测电路流转化成电压 V ，由 引脚输出第 期 吴年祥等：具有漏电保护的直流稳压电源设计 的传送功能可用下面式子表示I g （ V V ） （）其中，g 是 的跨导，且 g 由图（） 可知V V I R ，（）V I R （）联立式（） 、（ ） 、（ ） ，得到 的输出电 压方程V （ I R R ） （）23模数转换电路的设计为满足电源宽动态范围测量中低频信号的转 换，选用带数字滤波的 -型的 位 转换器 芯片该器件对于来自传感器的低电平输 人信号能直接接受，再产生串行的数字输出，利用-转换技 术 实 现 位 无 丢 失 代 码 性 能 以 及 图 4AD7705 转换电路25漏电保护电路本系统选用采样电阻为 ，最大功耗 ，待测回路电流最大为 ，如果要稳定还需后的非线性度串行 接口可 配置为 三线 接级电路根据比较电压范围来确定参数 V的范畴口，可由软件来配置信号极性、增益值以及更新速率，为消除器件本身或系统的增益和偏移误差，该 器件还配置系统校准和自校准选项为使 的数据更方便的读出来，转换结果 输出端 、 转换结束标志端 初始化带上拉电阻输入口分别接 、，串通过前级电路设计使直流稳压电源输出 电压，将电源电压分成二路信号进行对比，一路正电源信 号通过高侧测量电流 并联监 视器 转换 成 电流，另外一路通过外接电阻转换为电压信号，将 转换后的电压信号经过 U 进行一 级电路 放大，再将放大后的电压信号与负极性电压 U行数据输入端、串行接口时钟输入端 分别接比例放大的其准电压通过 U 反相 电压比较器进行比 ，经内部数据缓存器输出低电平 接高电平通过 转换电路将电流监 控电路输出的电流转换成单片机处理的数字信号， 再通过单片机编程实现实时电流、电压、功率的显 示其中 、 引脚间的 晶振，电容组成时钟 电路电源端接 电解电容和 独石电容较，如果采样的同相端电压大于反相端电压，电路 输出为高电平电压信号与精密电压调节器 设定的 基 准 电 压 电 压 比 较电 压 比 较 器 与 管 控 制 电 路 如 图 所 示， 图 中 电 压 比 较 器 同相输入端连接 输出的电流采样电压，反向输入 端连接 精密电 压调节 器防止电路产生寄生振荡，使电源供电稳定，纹波减的阈值电压 V若 V ，即电流采样电压在小，采样值稳定， 转换电路如图 所示24控制器与显示电路该系统显示采 用的是 点 阵的汉 字图 形型液晶显示模块，可显示汉字和图形，内置 点阵的 个中文汉字、 的 个字符以及 点阵显示 ，可与控制器直接 接口，提供 位 并行及 串行两 种界面 来连接 控制器具有 画面的 移位、 光标 的显示、 睡眠模 式 等 功 能将 位资料写入 ，- 的编码显示中文字形电流、电压、功率阈值范围之内，比较器输出近似 ，通过反馈使 管处于导通状态，电源系统电路为正常工作 状态若 V V ，电流采样电压超出阈值范围，比 较器输出为正 ，使 管也处于关断状态，实 现了直流稳压电源过流保护的目的而 V 是由 精密电压调节器设定输出，可自由调控，也 就实现了可配置过流阈值的目的3软件设计通过软件程序来实现系统的电流，电压，功率 兰 州 工 业 学 院 学 报 第 卷显示当电源漏电电流达到 时，电流为 ，电路处于保护状态，按复位键使电路恢复正常工作状态主程序流程图如图 所示在进行 模数转换之前，首先要对所有寄存器进行一次写操作，图 5漏电保护电路利用 采样数据与 单片机通讯，利 用定时计数 T 提供数据脉冲让 产生时钟振 荡，控制其工作状态 进行数据采样之后，单片 机可以对其接收数据，经过内部转换将数据显示到 液晶屏上 可以进行复位，重新进行数据更新， 将片选信号 拉低，给 接一段振荡频率，使 其工作，通过往这两个寄存器写合适的数，使 点 和满量程点显示的结果跟实际的结果一样 引脚位低电平时表示数据转换完成，单片机可以读 取 为输出端， 与 加硬件时钟 电路 进行数据采样之后，单片机可以对其内 部寄存器接收数据，经过内部转换将数据显示到液 晶屏上4测试图 6直流稳压电源及漏电保护工作流程图来决定下一个寄存器和操作内容，再进行下一步的 参数写入，保证器件正常工作在实际应用当中，首 先选择单极性或双极性的模拟输入模式、是否需要 缓冲、分频和输出速率更新按照外部输入信号的 幅值来确定设置器件的增益值，循环选择单极性幅 度不同的通道 、通道 输入信号来选择参数，在 该系统中选择单极性输入通道、增益为 初始值、 数据更新速率为 41测试方法对系统硬件电 路、软件 仿真进 行 分 模 块 化 测 试，最后完成硬件与软件总体系统调试42测试所用仪器仪表完成系统测试所需要仪器仪表有万用表、毫伏 表、示波器等43系统测试过程与实现实现方式本设计完成如图 所示，带有漏电保护装置的 线性直流稳压电源设计的测试负载电阻 R ，漏电第 期 吴年祥等：具有漏电保护的直流稳压电源设计 流调整电阻 R，漏电流测试电流表 ，转换开关 S以及漏电保护复位按钮 K实现情况图 7电路连接图与实物测试图器使漏电电流到达 时，发现输出电流为 ，通过系统测试，完成当直流输入电压 变化时，能实现额定输出电压为 ，额定输 出电流约为 的直流稳压电源表 1当负载为 10 时的电压，电流，功率测量电路处于保护状态直流稳压电源 显示电 流 为 （ 这个是电路板的静态功耗） ， 功率为 ，U 为 ，漏电保护输出电压为 ，通过 漏电保护电路自动切断电源使输出电压为 ，当输入电 压 电压液晶 显示电流功率电压误差漏电故障排除后，按复位键，电源恢复正常工作，些 时的输出电压为 表 2当负载为 5 时的电压，电流，功率测量输入电压 电 压液晶显示电流功率电压误差 ） 当转换开关 S 接线端 时，R 负载电阻为 ，直流输入电压在 变化时，输出电压为 ，电压调整率 S ） 当转换开关 S 接线端 时，R 负载电阻为 ，直流输入电压在 变化时，输出电压 为 ） 当转换开关 S 接线端 时，直流输入电压固定在 ，直流稳压电源输出电流由 减小到 时，负载调整率 S ） 实验表明电源的电压、电流、功率能实时显 示，当负载断开后，输入电压为 时，电压液晶显示为 ，I ，U 都为 ） 漏电流的测试：当稳压电源输出接到漏电 保护电路当中时，按漏电电路的复位键， 显示电压为 ，电流为 ，功率为 当电位器与电流表构成可调漏电支路动作电流，调节电位 5结论通过实验该系统能完成当直流输入电压 变化时，能实现额定输出电压为 ，额定 输出电流为 的直流稳压电源当负载电阻 R 为 ，U 分别为 和 时，输出电压调整率 S当负载电阻 R 为 或 时，负载调整 率 S 当模拟漏电支路动作电流 超过 时，漏 电 保 护 电 路 自 动 切 断 电 源， 使 输 出 电 压 为当漏电故障排除后，按复位键电源恢复正常工 作状态，输出电压为 试验结果表明，系统各 项性能指标均符合标准规定，误差较小，能够满足 兰 州 工 业 学 院 学 报 第 卷直流稳压电源及电网漏电保护作用参考文献： 张红丽 转换器的设计 天津：南开 大学， 敖振浪，李源鸿十六位模数转换器 及其应 用 成都信息工程学院学报，（） ：- 刘红侠超薄栅氧化层经时击穿效应与可靠性仿真技术研究 西安：西安电子科技大学， 马存云高端双向电流并联监测芯片 国 外电子元器件，（） ：- 沈 国 民， 王 欢 位 高 性 能 低 功 耗 转 换 器 及其应用 自动化与仪器仪表，（ ） ：- 屠志恋基于融合技术的嵌入式表面质量检测系统的 研究 杭州：浙江工业大学，Design of DC Regulated Power Supply with Leakage Protection -， -（ ， ， ， ； ， ， ，）Abstract： ， - ， ， - ， ， ， - ， ， ， Key words： ； - ； ； （ 责任编辑：曾贤灏）声明本刊作为中国学术期刊综合评价数据库来源期刊，由中国核心期刊（ 遴选） 数据库、中国期刊网、中国 学术期刊（ 光盘版） 、万方数据资源系统（ ） 数字化期刊群等信息机构全文收录并上网。 凡向本刊 所投稿件，均视为愿意进入上述数字化期刊群，并愿意将该论文的复制权、发行权、信息网络传播权、翻译 权、汇编权等权利转让给本刊。 如有作者不同意上述事项，敬请在投稿时说明，本刊将作适当处理。特此声明。兰州工业学院学报编辑部具有漏电保护的直流稳压电源设计作