题目：直流稳压电源及漏电保护装置（L题）
摘要
稳压电源是各种电子电路、电子设备所必不可少的动力来源，对于整个电路的重要性是不言而喻的。研究直流稳压电源，就是为了提高电源的使用性能和提高电源的电气性能。此直流稳压电源及漏电保护装置是基于升降压电路和LDO 低压差稳压电路设计的线性直流稳压电源。该控制器由两个独立的控制器和低压差稳压电路组成。由于低压差线性稳压器LDO具有极低噪声、高稳压性能和低成本等优点，在便携式电子产品的低耗电源系统中得到广泛应用。完善开关电源的直流稳压电源应具有漏电保护装置，漏电动作电流30mA的漏电保护装置，作为防止人体直接或间接保护。
关键字：LDO线性直流稳压、漏电保护
目录
一、系统方案设计 (1)
1.1设计要求 (1)
1.2总体方案设计 (1)
1.3总体电路图设计 (2)
1.4方案论证与比较 (3)
1.4.1主控芯片单片机（MCU）的设计方案论证与选择 (3)
1.4.2稳压电源的设计 (3)
1.4.3漏电检测电路的设计 (4)
1.4.4关断保护电路的设计 (4)
二、主要单元电路的设计 (5)
2.1稳压电源电路的设计 (5)
2.2采样电路的设计 (6)
2.3漏电检测电路设计 (7)
2.4放大电路的设计 (8)
2.5报警电路的设计 (9)
三、程序设计 (9)
四、测试方案与测试结果 (10)
4.1测试仪器 (10)
4.2指标测试和测试数据 (11)
4.2.1输出电压范围测试结果如表1： (11)
4.2.2电压调整率测试结果如表2： (11)
4.2.3负载调整率测试结果如表3： (11)
4.2.4过流保护： (11)
4.3系统对题目的完成情况： (12)
4.4结果分析： (12)
五、结论 (12)
参考文献： (13)
一、系统方案设计
1.1 设计要求
1、基本要求
设计一台额定电压为5V，额定输出电流为1A的直流稳压电源。
（1）转换开关S接1端，RL阻值固定为5Ω。当直流输入电压在7~25V变化时，要求输出电压为5±0.05V，电压调整率SU≤1%。
（2）连接方式不变，RL阻值固定为5Ω。当直流输入电压在5.5~7V变化时，要求输出电压为5±0.05V。
（3）连接方式不变，直流输入电压固定在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%。
（4）制作一个功率测量与显示电路，实时显示稳压电源的输出功率。
2、发挥部分
设计一个动作电流为30mA的漏电保护装置（使用基本要求部分制作的直流稳压电源供电，不得使用其他电源）。
（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20Ω，R和电流表A组成模拟漏电支路（见图1）。调节R，将漏电动作电流设定为30mA。将漏电保护装置动作后，RL两端电压为0V并保持自锁。排除漏电故障后，按下K恢复输出。要求漏电保护装置没有动作时，输出电压≥4.6V。
（2）要求漏电保护装置动作电流误差的绝对值≤5%。
（3）尽量减少漏电保护装置的接入功耗。
（4）其他。
1.2 总体方案设计
系统框图如下图所示。其中主控部分由STC89C58RD及相关电路组成，它是整个系统的核心。电源部分由及相关电路组成，为整个系统正常稳定地工作提供稳定的电压。电压检测和引脚判定有康铜丝和ADC0804组成，完成AD采样和芯片引脚个数的判定。待测芯片部分的所有管脚都受MCU的控制，MCU能够读取它的所有信息。显示部分由1602液晶组成，方便显示相关信息。
图1 系统设计框架1.3 总体电路图设计
7 V ~ 25 V 电压Buck-
Boost
电
路
拓
补
5
V
额
定
输
出
采
集
功
率
与
显
示
漏
电
保
护
电
路
报
警
系
统
键
盘
控
制
图2 电路框图
当直流输入电压在7~25V变化时，通过一个Buck-Boost电路拓补结构让其稳定输出5V的电压，再使用康铜丝链接一个放大电路，通过ADC0804采样获得是是实时的电流、电压值并在1602上显示，当检测电路电流超过30mA时，漏电保护电路启动，断开电路并进行报警。最后可以通过键盘控制电路复位。
1.4方案论证与比较
1.4.1 主控芯片单片机（MCU）的设计方案论证与选择
方案一：采用Atmel公司的AT89S52。AT89S52单片机是一种低功耗、高性能
CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。此芯片价格比较便宜，但抗干扰能力差。
方案二：采用STC89C58RD+。它也是基于80C51内核，管脚与89S52完全兼容。不需要外围电路，硬件和软件的开支比较小，更重要的是他的抗干扰能力比较强，但它的价格要比AT89S52要高。
综合比较后，选择方案二。
1.4.2稳压电源的设计
方案一：用固定式三端集成稳压电路7805设计制作连续可调直流稳压的实际电路中两个电阻主要用来调整输出电压最高输出电压受稳压器最大输入电压及最小输入输出压差的限制，该固定式三端集成稳压集成电路7805最大输入电压为35V，输入输出差要保持2V以上，因此该电路中由于稳压器的直流输入电压为7~25V，所以该电路的输出最大值为5~23V。优点：在稳压器的稳压范围内，其稳压精度可达±0.03。缺点：在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。
方案二：将Buck与Boost两种形式的变换器结合起来，产生一种新的变换器，叫做BUCK-BOOST变换器，也叫升降压式变换器。既然我们不能直接把7~25V 的输入电压变为固定的5V输出，那我们就先把7~25V降压，然后再升压，从而达到题目要求的固定输出5V、1A的要求。优点：效率高、电路简单、电压变比可由零到无穷大，即可升压又可降压。缺点：开关晶体管发射极不接地，使驱动电路复杂化、成本高。
方案三：LDO基本工作原理是：系统加电，如果使能脚处于高电平时，电路开始启动，恒流源电路给整个电路提供偏置，基准源电压快速建立，输出随着输入不断上升，当输出即将达到规定值时，由反馈网络得到的输出反馈电压也接近于基准电压值，此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大，再经调整管放大到输出，从而形成负反馈，保证了输出电压稳定在规定值上，同理如果输入电压变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压保持不变，即：V out=(R1+R2)／R2 ×Vref。优点：压差小、静态电流小、外接元件小。缺点：效率不高。
方案四：先将电路的电压由5.5V~25V通过降压变为4V,再通过升压变为5.5V，最后再通过一个LDO直流稳压电路，具有较低的静态电流和压差，主要用于压差较小的场合，可固定输出电压5V。如果输入电压和输出电压不是很接近，LDO 的输入电流基本上是等于输出电流的，如果压降太大，耗在LDO上能量太大，效率不高。由于此电路的低压差特性和升降压电路的高效性。所以此电路具有效率高、压差小、静态电流小、外接元件小的优势。这种设计方案简化了开关电源的多路输出设计,减小了负载调整率,提高了电源抑制比,并加强了开关电源的过流保护功能。
综合比较之后，选择方案四。
1.4.3 漏电检测电路的设计
方案一：三相交流电电压电流漏电检测电路。电流漏电检测电路实现对三相交流电电压、电流和漏电的检测，以实现对过压、欠压、过流和漏电的保护。电压检测由三相交流变压器、整流滤波电路和分压电路组成。电流检测由三相交流互感器、整流滤波电路和分压电路组成。其中漏电电流互感器把电流转换为电压信号，分压电路完成电压调整。此电路质量可靠，抗干扰性强。
方案二：利用欧姆定律，当电流通过康铜丝时，就会有电压降，电流越大，压降就越大。选用0.0022Ω的康铜丝，让ADC0804能测得康铜丝两端的电压差。由于电压差实在太小，不利于检测，再用INA128对采集到的电压差值放大1000倍后将数据传给A/D。价格便宜、对电路影响可忽略不计、其阻值低、精度高、温度系数低、具有无电感、高过载能力。
方案三：康锰铜电阻丝是电流测量中很常用取样电阻，其特点在于温度漂移量非常小。经过测试，在1Ω的康锰铜电阻丝上通过约2A电流，由于产生的热量引起的升温，只会引起0.02Ω左右的阻值变化，对电流的稳定起了很重要的作用。
综合考虑后，选择方案二。
1.4.4关断保护电路的设计
方案一：漏电保护电路主要包括：检测元件（零序电流互感器）、中间环节（放大器、比较器、脱扣器）、执行元件（主开关）等几个部分。没有发生漏电或触电的情况下，通过零序电流互感器一次测的电流相量和等于零。
当发生漏电或者有人触电时，通过零序电流互感器一次测各相电流相量和不再等于零，产生了漏电电流。二次侧产生了感应电动势，此漏电信号经过中间环节处理和比较，当达到预定值时，使主开关分励脱扣器线圈通电，驱动主开关自动跳闸，切断故障点，从而实现保护。
方案二：通过单片机I/O口控制，驱动电磁继电器。当输入高电平时，晶体管饱和导通，继电器线圈通电，触点吸合。当输入低电平时，晶体管截止，继电器线圈断电，触点断开。系自动断开电路，并且报警并显示，在实际中很实用。
方案三：IGBT（绝缘栅双极型晶体管）兼有场效应晶体管输入阻抗高、驱动功率小和双极型晶体管电压、电流容量大及管压降低的特点。当出现短路过流时，必须采取有效的保护措施。为了实现IGBT的短路保护，则必须进行过流检测。适用IGBT过流检测的方法，通常是采用霍尔电流传感器直接检测IGBT的电流Ic，然后与设定的阈值比较，用比较器的输出去控制驱动信号的关断；或者采用间接电压法，检测过流时IGBT的电压降Vce，因为管压降含有短路电流信息，过流时Vce增大，且基本上为线性关系，检测过流时的Vce并与设定的阈值进行比较，比较器的输出控制驱动电路的关断。
考虑到可行性，综合比较之后：选择方案二。
二、主要单元电路的设计
2.1 稳压电源电路的设计
当输入电压在7~25V变化时，通过降压，然后再将降压后的电压通过升压，从而达到实际所需的额定输出电压 5.5V，然后通过低压差稳压路固定输出一个
5V 的值。公式：
开始
ADC0804采
样
1602显示
报警
结束
排除故障
保护电路
初始化
电流检测
正常工作
复位。
12
4
5
3
LM2596
+C?+C?
Co ut
L1
D1
R1R2
C
ON/OFF
图3 降压电路
12
4
5
3
U1
LM2577T-ADJ(5)
C1
0.1u
C3
0.33u
C5
0.1u
Vi
+C2 470u
+C4
680uF
R2
470
R3
RES1
D1
ZENER1
L1
500mH
R1
10k
图4 升压电路
Q3
MOSFET P
2
3
1
1
1
4
R9
R10
R12
R11
D2
DIODE SCHOTTKY
R8
图5 后接直流稳压电路原理
2.2 采样电路的设计
输出端串接选用温漂小的康铜丝，保护电路选用的电流取样电阻要综合考虑电流、功率及热稳定性三个因素。电阻增大则电路效率下降，而我们选用的康铜丝电阻仅为0.0022Ω，所以康铜丝对电路的影响可以完全忽略不计。接着用ADC0804测康铜丝两端的电压差。因取样电压很小很小，故使用INA128对它进行放大1000倍，使它有一个稳定的电压值。电压信号需放大后送给单片机进行A/D 采样。
5
1
6
2
7
3
8
4
INA282
5
1
6
27
3
8
4
INA128
+5
-12
R?RES3
R?
RES1
R?POT1
+12
OUT
采样电路
图 6 采样电路的设计
2.3 漏电检测电路设计
+5
+5
+5
23
7
6
5
1
84
LM311
LM311
R?RES1
R?RES1
R?
V+
R?RES3
V+
30m A 保护电路
图7 30mA 漏电检测电路
2.4 关断保护电路的设计
51单片机控制继电器驱动原理：
1、当51单片机引脚输出低电平时，三极管2N3906饱和导通，＋5V 电源加到继电器线圈两端，继电器吸合，同时状态指示的发光二极管也点亮，继电器的常开触点闭合，相当于开关闭合。
2、当51单片机引脚输出高电平时，PNP 三极管2N3906截止，继电器线圈两端没有电位差，继电器衔铁释放，继电器的常开触点释放，相当于开关断开。注：在三极管截止的瞬间，由于线圈中的电流不能突变为零，继电器线圈两端会产生一个较高电压的感应电动势，线圈产生的感应电动势则可以通过二极管IN4148释放，从而保护了三极管免被击穿，也消除了感应电动势对其他电路的干扰，这就是二极管D1的保护作用。
R?RES1
Q?
PNP1
+5
K?
RELAY-SPDT
I/O
继电器保护电路
图8 继电器保护电路
2.4 放大电路的设计
电路的电压信号由于太小所以需要用如图所示的放大电路予以放大之后才能够被采集到电压信息。采用低噪声、高共模抑制、高输入阻抗、低功耗的高性能仪表放大器INA128。
图9 电压放大电路
图10 INA128内部结构
2.5 报警电路的设计
当电路中电流超过30mA 时，进行报警。
Q?PNP1
+5
LS?
SPEAKER
D?LED
I/O
报警电路
图11 报警电路
三、程序设计
主程序设计：
开始
ADC0804采
样
1602显示
报警
结束
排除故障
保护电路
初始化
电流检测
IF 超过设定值
正常工作
复位
图12 主程序流程图
四、测试方案与测试结果
4.1测试仪器
UT39A 数字万用表、KXN-30400高精密数字万用表、UT805微机电源。
4.2 指标测试和测试数据
4.2.1输出电压范围测试结果如表1：
表1 输出电压范围测试 输入电压（V) 5.5V 6.0V 7V 12V 17V 22V 25V 输出电压（V) 4.99V 4.99V 4.99V 5.00V 5.00V 5.00V 5.00V
4.2.2电压调整率测试结果如表2：
表2 电压调整率测试测试条件为输出电压5V，输出电流为1.00A
U1 /V 输出电
压(V) U2(V) 输出电
压(V)
U3/V 输出电
压(V)
4.991 4.992 4.998 4.994 4.997 4.994
4.995 4.996 4.991 4.998 4.992 4.991
4.997 4.997 4.996 4.997 4.992 4.998
电压调整率为：(4.991-4.999)/4.999*100%=0.16%。
4.2.3负载调整率测试结果如表3：
表3 负载调整率测试
输出电流（A） 1 1 1输出电压（V) 5.02 4.99 5负载调整率：（5.02-4.99）/5*100%=0.6%。
4.2.4 过流保护：
过流保护动作电流为30mA。
4.3 系统对题目的完成情况：
表4 系统对题目的完成情况对照表
基本部分要求实现
输出电压5V 输出电压5V
最大输出电流1A 符合要求
电压调整率Su≤1%电压调整率为0.16%
负载调整率SL≤1%负载调整率0.6%
输入变化时输出为5±0.05V输入变化时输出为
5±0.018V
显示输出功率有显示
过流保护的动作电流30mA
发挥部分漏电保护装置没有动作时，输出电压
≥4.6V
实际输出4.65V 漏电保护装置电流误差绝对值≤5% 实际误差≤1%要求接入功耗低实际功耗低
4.4 结果分析：
各项结果都符合系统指标，产生误差的原因包括：电阻精度不够等。
五、结论
经过四天三夜的辛勤努力，我们实现了题目的全部要求，在某些方面系统性能还超过了题目的要求，但由于时间紧，工作量大，系统还存在许多可以改进的地方。本次竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但总体上成功与挫折交替，困难与希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。
参考文献：
[ 1 ] 童诗白，《模拟电子技术》北京：高等教育出版社，2011年
[ 2 ] 胡翔骏，《电路分析》北京：高等教育出版社，2004年
[ 3 ] 阎石，《数字电子技术基础（第四版）》北京：高等教育出版社，2002年[ 4 ]黄智伟，《全国大学生电子设计竞赛训练教程》北京：电子工业出版社，2005年
[ 5 ] 谭浩强，《C语言程序设计（第二版）》北京：清华大学出版社，1999年