直流稳压电源及漏电保护装置

1 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直流稳压电源及漏电保护装置 L 题 题 2013 年年 9 月月 6 日日 2 直流稳压电源及漏电保护装置设计论文直流稳压电源及漏电保护装置设计论文 摘要摘要 本设计由 PMOS 功率管 IRF9540 做调整管 低功耗 低电压 轨到轨运算放 大器 TLV2460 进行误差电压放大 MC1403 芯片提供 2 5V 基准电压共同构成 LDO 低压差线性稳压器 其中使用 STC 单片机进行电源输出功率检测 漏电保护装 置采用电流监测芯片 INA270 检测输出 返回电流 通过误差放大器放大漏电电 流信号 由比较器 LM311 确定是否存在 30mA 漏电电流 通过数字逻辑电路实现 漏电保护与复位功能 关键词关键词 低压差 直流稳压电源 功率测量 漏电保护 3 目录目录 1 1 系统方案 系统方案 4 1 11 1 总体设计 1 21 2 低压差直流稳压电源方案分析 1 31 3 功率测量 1 41 4 漏电保护 2 2 理论分析与计算 理论分析与计算 6 2 12 1 稳压电源分析计算 2 22 2 漏电检测分析计算 2 32 3 关断保护分析 3 3 电路设计 电路设计 8 3 13 1 总体电路图 见附录一 4 4 系统软件设计 系统软件设计 8 4 14 1 程序流程图 4 24 2 应用程序 见附录二 5 5 方案与测试结果 方案与测试结果 9 5 15 1 调试方法与仪器 5 25 2 测试数据完整性 5 35 3 测试结果分析 6 6 设计总结 设计总结 11 7 7 参考资料 参考资料 11 8 8 附录 附录 12 4 1 1 系统方案 系统方案 1 1 总体设计 本设计由稳压模块 功率测量模块 漏电保护模块等组成 启动瞬间 启动电容 C5 电压为 0V 启动电路正常工作时 三极管 9012 导 通 电容 C5 充电 集电极有较大的电流 输出提供上升电压 当 MC1430 TLV2460 达到正常工作电压时 稳压电路正常工作 当 C5 充电至 25V 时 启动电路停止工作 对稳压电路没有影响 功率测量模块 直 流 稳 压 漏 电 保 护 装 置 20 负 载 5 负 载 500 负 载 直流输入 5 5 25V 调整 取 样 启动 电路 参 考 滤 波 反馈放大 GND 5V输出 5 利用两片电流监测功能的芯片 INA270 分别监测负载高端电流 低端电流 若负载部分存在漏电现象且漏电电流达到 30 mA 输出就有压差 通过 INA2331 检测出压差并放大 输出就有压差 将输出电压送入 LM311 比较器中 与参考电压比较 通过 RS 触发器 非门来判断继电器的通断 确定保护电路是 否工作 若保护电路工作 存在漏电现象 利用复位电路 解除漏电现象 使 其正常工作 1 2 低压差直流稳压电源方案分析 题目要求 5 5V 输入电压能够输出 5V 电压 所以必须采用 LDO 稳压器可以 实现 5 5V 以下输出时电路仍能正常工作 才能满足题目要求 方案一 采用 PNP 三极管 LDO 稳压器 采用 PNP 三极管可以实现 LDO 稳压器 但 PNP 管大电流工作需要较大的驱动电 流 三极管存在二次击穿问题 功率扩展并联较复杂 电路相当 PMOS 管复杂 方案二 采用 PMOS 管 LDO 稳压器 采用 PMOS 管实现 LDO 稳压器中 PMOS 管导通电阻低 可以工作于大电流状态 并联容易 采用电压控制 驱动能耗小 是实现 LDO 理想选择 鉴于以上分析 故选择方案二 1 3 功率测量 输出电流 检测 返回电流 检测 漏 电 流 检 测 放 大 比 较 保护控制 复位电路 6 方案一 利用具有电流监测功能的芯片 INA282 监测电源电流 将 INA282 的 输出送入 STC12C5A60S2 单片机 P1 0 口中 将电源电压送入 P1 1 口和 P1 2 口 编程计算电源功率 P 用 LCD 显示屏进行显示 INA282 方便进行误差处理 稳定 无误 方案二 利用专用集成电路进行功率检测及显示 因为此方案复杂 器件 性 价比高 鉴于上述原因 故采用方案一 1 4 漏电保护 方案一 利用两片电流监测功能的芯片 INA270 分别监测负载高端电流 低 端电流 若负载部分存在漏电现象且漏电电流达到 30 mA 输出就有压差 大 约在 2 1V 左右 将具有零漂移自归零功能芯片 INA2331 检测出压差并放大 105 倍 输出就有压差 将输出电压送入 LM311 比较器中与参考电压比较 若 反向端电压大于同相端电压 LM311 7 脚输出低电平 通过 RS 和非门之后输出 低电平 所以 K 一直闭合 电路正常工作 若反向端电压小于同相端电压 LM311 7 脚输出高电平 通过 RS 和非门之后输出高电平 所以 K 断开 切断负 载电路 保护负载 此电路设计简单 功耗低 方案二 利用一片电流监测功能的芯片 INA270 放大 再经过 TLV2460 放大 再送入到单片机 STC12C5A60S2 单片机 P1 0 口中 此设计电路复杂 故不采用 鉴于上述原因 故采用方案一 2 2 理论分析与计算 理论分析与计算 7 2 1 稳压电源分析计算 TLV2460 是一种低功耗轨到轨输入 输出运算放大器 其输入共模电压范围 超出最大的电源轨在低压系统的动态范围 放大器的输出轨至轨性能具有高输 出驱动能力 解决了老式的轨到轨输入 输出运算放大器的局限性 这条轨到轨 动态 范围和高输出驱动使 TLV2460 实现模拟量到数字量的转换 MC1403 作为基准电源 为 TLV2460 提供 2 5V 电压 送到 TLV2460 与稳定电 源输出电压进行比较 当输出电压大于 5V 时 TLV2460 输出低电平 三极管导 通率下降 PMOS IRF9540 漏极和源极之间电压上升 输出电压下降 使输出电 压稳定在 5V 2 2 漏电检测分析计算 8 本设计使用两个 INA270 分别将高端检测电阻两端压降 VO VO 低端检测 电阻两端压降 V1 V1 进行检测放大 U1 U2 输出有压差 送入 INA2331 U3 进 行检测放大 输出 U3 约为 2 1V 将 U3 输出电压 7 脚 与 U4 参考端电压比 较 通过 RS 非门电位来控制继电器通断 2 3 关断保护分析 当电流到达 30mA 时 将输出电压送入 LM311 比较器中与参考电压比较 若 反向端电压大于同相端电压 LM311 7 脚输出低电平 通过 RS 和非门之后输出 低电平 所以 K 一直闭合 电路正常工作 若反向端电压小于同相端电压 LM311 7 脚输出高电平 通过 RS 非门之后输出高电平 所以 K 断开 切断负 载电路 保护负载 3 3 电路设计 电路设计 3 1 总体电路 见附录一 V K K VVV R R VVVV VA AIV VAV ARIV S S U U L USLL 1 2 10 190 55 021 0 021 0 14 05 0 03 0 V R 7 014 05 0 1 2 1 ii S2 11 漏电 漏 漏漏 9 4 4 系统软件设计 系统软件设计 4 1 程序流程图 4 2 应用程序 见附录二 5 5 方案与测试结果 方案与测试结果 初始化液晶显示 初始化系统时钟 开始 初始化AD转换 AD转换检测输出U I 计算实时功率 显示功率 10 5 1 调试方法与仪器 调试方法 利用四位半万用表测试电路确定各个端子之间无短路 否则应 找 出原因并排除故障 然后利用示波器观察波形有无振荡 测试仪器 示波器 四位半万用表 5 2 测试数据完整性 基本要求 1 转换开关 S 接 1 端 RI 阻值固定 5 直流输入电压在 7 25v 变化时 要求输出电压为 5 0 05v 电压调整率 Vin V 712152025 VOUT V 4 9954 9964 9964 9964 996 SU 0 1 图一 2 转换开关 S 接 1 端 RL 阻值固定 5 直流输入电压在 5 5 7v 变化 时 要求输出电压为 5 0 05v 电压调整率 Su 1 Vin V 5 566 57 VOUT V 4 9964 9964 9964 996 图二 3 开关 S 接 1 端 直流输入电压固定 7V 当直流稳压电源输出电流由 1A 减小到 0 01A 时 要求负载调整率 SL 1 11 IO A 10 01 7V4 9964 995 SU 0 1 图三 4 直流稳压电源输出功率 经测试直流稳压电源输出功率为 0 024W 发挥部分 1 转换开关 S 接 2 端 将 RL 接到漏电保护装置的输出端 阻值固定为 20 电位器 R 和电流表 A 组成模拟漏电支路 调节 R 将漏电动作电流设定为 30mA 经测试 当漏电保护装置动作后 RL 两端电压为零并保持自锁 排除 漏电故障后按下复位键 K 恢复输出 漏电保护装置没有动作时 输出电压为 4 996V 2 断开负载支路 检测漏电保护装置的接入电流为 7 5mA 则漏电保护 功耗极小 5 3 测试结果分析 基本要求 1 根据测试结果分析 转换开关 S 接 1 端 RI 阻值固定 5 直流输入 电压在 7 25v 变化时 稳压输出范围为 5 0 05v 作品实际测试电压调整率 SU 为 0 1 满足题目要求 2 转换开关 S 接 1 端 RL 阻值固定 5 直流输入电压在 5 5 7v 变化 时 作品实际测试稳压输出范围为 5 0 05v 满足题目要求 3 开关 S 接 1 端 直流输入电压固定 7V 当直流稳压电源输出电流由 1A 减小到 0 01A 时 作品实际测试负载调整率 SL为 0 1 满足题目要求 发挥部分发挥部分 12 1 根据实验数据显示 转换开关 S 接 2 端 RL 阻值为 20时 漏电电流 打到 30mA 时 RL 两端电压为 0V 保持自锁 漏电保护装置没有动作时满足输出电 压大于等于 5V 满足实验要求 2 根据测试结果显示 漏电保护装置的接入功耗极小 6 6 设计总结 设计总结 由于系统架构设计合理 功能电路实现较好 系统性能优良 电压稳定 通过缜密思考 仔细地分析 细心地焊接 检测以及队员间的团结协作 我们 圆满地完成了本次的设计 设计的各项指标均达到题目的要求 7 7 参考资料 参考资料 1 高吉祥主编 全国大学生电子设计竞赛培训系列教程 北京 电子 工业出版社 2007 5 2 邹益民主编 单片机 C 语言教程 北京 中国石化出版社 2009 3 黄业安 陶影 梁长垠主编 电子电路分析与实践 西安 西安电子 科技大学出版社 2011 2 4 黄智伟主编 全国大学生电子设计竞赛系统设计 北京 北京航空航 天大学出版社 2006 12 5 黄智伟主编 全国大学生电子设计竞赛电路设计 北京 北京航空航天大 学出版社 2006 12 8 8 附录 附录 附录一 附录一 总体电路图 总体电路图 稳压电源 13 漏电保护 功率测量 14 附录二 附录二 应用程序 应用程序 功率测量主程序 include include include include include include uchar data dspBuf 10 Po 1 234W uint data U uint data I uint data PWR void InitSTCADC void ADC CONTR 0 xE0 P1ASF 0 x07 AUXR1 0 x04 void STCADC void 15 uchar i ulong idata tempI tempU tempV tempP tempI 0 tempU 0 tempV 0 for i 0 i 20 i ADC CONTR 0 xE8 nop nop nop nop nop nop while ADC CONTR tempI ADC RES ADC CONTR 0 xE9 nop nop nop nop nop nop while ADC CONTR tempU ADC RES ADC CONTR 0 xEA nop nop nop nop nop nop while ADC CONTR tempV ADC RES tempI 20 tempU 20 tempV 20 tempU tempU 2488L tempV U uint tempU tempI tempI 1000L 889L I uint tempI tempP tempU tempI 1000 16 PWR uint tempP 主程序 void main void CL