直流稳压电源及漏电保护装置设计

寸彦萍, 杨长保

(1. 云南开放大学 机电工程学院, 云南 昆明 650223；2. 吉林大学 地球探测科学与技术学院, 吉林 长春 130026)

直流稳压电源及漏电保护装置设计

寸彦萍1, 杨长保2

(1. 云南开放大学 机电工程学院, 云南 昆明 650223；2. 吉林大学 地球探测科学与技术学院, 吉林 长春 130026)

提供一种线性直流稳压电源及漏电保护装置的设计方法,以芯片LM2577、LM2576和单片机为核心制作DC—DC转换器,提供额定输出电压为5 V±0.05 V、额定输出电流为1 A的直流稳压电源。可以实现直流电压输入5.5～25 V,输出电压保持在 5 V±0.05V,电压调整率SU≤1%；当输入电压为7 V,直流稳压电源输出电流由1 A减小到0.01 A,负载调整率SL≤1%,并能够实现功率测量与实时显示,能够实现对模拟漏电支路的漏电保护动作。

直流稳压电源； DC—DC转换器； 漏电保护； LM2576/7； 单片机

在现代生活中,各种高科技产品对电源技术性能指标的要求越来越高,为了提高电源的使用性能(如可靠性、安全性、可维修性、高的功率密度、高的性价比、环境适应性等)和提高电源的电气性能(如源电压特性、效率、源效应、负载效应、输出电压电流的纹波与噪声等),更好地为生产、生活服务,目前电源技术已经朝智能化、数字化、模块化和绿色化方向发展,它已经融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等领域[1],使产品更环保、更节能,因此也拥有广阔的发展前景。通过研究已有的一些设计[2-5],本文提出了一种基于线性直流稳压电源及漏电保护装置的设计方法。

1 各模块设计与选择

1.1 直流稳压电源模块方案选择

采用LM2577升压开关稳压器芯片与LM2576降压开关稳压器芯片组合的升压降压稳压器,输出电压为5 V。LM2577可调升压开关稳压器内部具有过流、低压、温度保护功能,输入电压范围为3.5～40.0 V,以电流模式工作提高了线性调节、电流限制、检测电阻的灵敏度等功能；具有软启动功能,避免过大的启动电流损坏电路,最大输出电流为3 A(最大电压为65 V),LM2577可提供5 V及可调输出电压范围为1.23～37 V等多个电压档次。LM2576输入电压为5.0～40 V,最大输出电流3 A。

1.2 微处理器的选择

微处理器作为本装置功率测量与显示模块的核心部件,本设计采用单片机作为控制系统的核心部件,它除了具备微机CPU的数值计算功能外,还具有灵活强大的控制功能,以便实时检测系统的输入量、控制系统的输出量,实现自动控制。

1.3 显示电路的设计

采用液晶显示器显示,除了简单、普通显示外还能显示特殊的字符,而且功耗也比数码管的要低,更有利于节约能源。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多,且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。为了达到3位数字显示(最大显示数为999),能自动显示小数点和单位，所以本系统选用性价比很高的12864液晶模块。

1.4 A/D模块选择方案

由于本系统对电压调整率和负载调整率要求较高,同时为了提高功率测量及显示部分的分辨率,本系统采用TI公司的TLC2543[6],它是一种 12位串行模数转换器,使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构,能够节省51系列单片机I/O资源,还可以直接与带SPI接口的器件进行连接,不需要其他外部逻辑,且价格适中,分辨率较高。

1.5 漏电保护装置的选择方案

本系统采用模拟电路方式实现,线路比较简单,功耗低,可以通过采样得到漏电电流,再通过放大比较电路获得驱动电平,使漏电保护继电器动作,从而切断负载。该方案具有简单和节能、性价比、低功耗等优点。

2 系统设计思路

本系统(设计框图见图1)硬件主要包含4个模块:微控制器模块、直流稳压电源调整模块、漏电保护控制模块以及液晶显示模块。微控制器选用 STM32,电源额定输出电压5 V ,微控制器根据采样到的电压计算出功率,并实时显示稳压电源的输出功率及漏电电流。负载电流超过30 mA时漏电保护装置动作,转换开关S接2端的回路与直流稳压源断开,负载电阻RL两端电压为0 V并保持自锁。排除漏电故障后,按

下K恢复输出。图1中R为漏电电源调整电阻，K为漏电保护电路复位按钮。S打到1，系统作直流稳压电源使用；S打到2，系统作为漏电保护的直流稳压电源使用。

图1 系统设计框图

3 单元电路设计

3.1 DC—DC转换器

LM2577升压开关稳压器芯片与LM2576降压开关稳压器芯片组合的升压降压稳压器,是额定输出电压为5 V、额定输出电流为1 A的直流稳压电源。原理框图见图2。

图2 DC—DC转换原理框图

3.2 A/D转换器

模数转换器是一种用来将连续的模拟信号转换成适合于数字处理的二进制数的器件,其原理框图如图3所示。由图中看出,模数转换的输入量有两种:模拟输入信号Vi和参考电压Vref,其输出的是一组二进制数。本设计采用的是12位的A/D TLC2543芯片。

图3 A/D转换原理图

3.3 漏电保护装置

图4为漏电保护装置原理框图。本系统漏电保护方法：使用继电器J的常闭触点接在负载前,当电流过大时,电流经过放大继电器线圈得电,线圈吸合,继电器常闭触头断开,电路负载处于断路状态,能保护电路的过流。

图4 漏电保护装置原理框图

4 系统硬件设计与实现

4.1 DC—DC电路设计

这部分是整个系统的核心部分,DC—DC转换电路分为升压部分和降压部分。当输入电压信号为5.5～7 V,电路采用2个元件参数一样的LM2577构成核心的升压电路并联,输出电压为11 V,输出电流比单个升压电路更稳定；当输入电压信号为7～25 V时,以LM2576为核心的降压电路能输出稳定的电压5 V±0.05 V,设计电路见图5。

图5 DC—DC电路

4.2 漏电保护电路设计

漏电保护电路如图6 所示。当系统出现漏电(负载电流超过30 mA)时,漏电保护装置(继电器J)动作,转换开关S接2端的回路与直流稳压源断开,RL两端电压为0 V 并保持自锁。排除漏电故障后,按下K恢复输出。采样电路中,由于漏电电流、采样电阻都小,因此我们在前级加入了一个放大电路以增加放大倍数,提高保护装置的灵敏度,电流误差的绝对值在≤5%以内。

图6 漏电保护电路

5 数据测试结果及分析

5.1 系统测试仪器及测试方法

测试仪器:本系统主要测试输出电压、输出电流,故选用数字式万用表；功率测量选用AT89S52单片机、A/D转换器和液晶显示。

测试方法:测试电压时,在带负载的情况下,万用表测量直流稳压电源的输出电压；测电流时,在带负载的情况下,万用表与负载串联测量电流；功率测量时,对采样电阻两端的电压放大,A/D转换把放大的模拟量转化为数字量,经过AT89S52单片机对数字量的处理,控制液晶显示稳压电源实时功率[7]。

5.2 系统测试

测试使用的仪器为数字式万用表。

(1) 转换开关S接1端,RL阻值固定为5 Ω,当直流输入电压在7～25 V 变化时,输出电压及实测数据见表1。

表1 7～25 V电压时系统测试结果

(2) 转换开关S 接1端,RL阻值固定为5 Ω。当直流输入电压在5.5～7 V 变化时,输出电压见表2。

表2 5.5～7 V电压时系统测试结果

(3) 转换开关S 接1 端,直流输入电压固定在7 V,当直流稳压电源输出电流由1 A 减小到0.01 A 时,负载调整率SL≤1%。测试结果见表3。

表3 7 V电压时系统测试结果

5.3 测量结果分析

(1) 转换开关S 接1 端,RL阻值固定为5 Ω。当直流输入电压在7～25 V 变化时,输出电压为5 V±0.05V以内。

100%≈0.24%

实测电压调整率Su=0.24%≤1%,满足要求。

(2) 转换开关S接1 端,RL阻值固定为5 Ω。当直流输入电压在5.5～7 V 变化时,输出电压为5 V±0.05 V以内。

(3) 转换开关S接1 端,直流输入电压固定在7 V,当直流稳压电源输出电流由1 A 减小到0.01 A时。负载调整率:

100%=0.1%

所以负载调整率SL=0.1%≤1%,满足要求。

(4) 转换开关S接2端(见图1),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。当漏电保护装置动作后,RL两端电压为0 V 并保持自锁。排除漏电故障后,按下K恢复输出。漏电保护装置没有动作时,实测输出电压>4.6 V。

5.4 漏电检测分析

得到漏电电流,再通过放大比较电路后获得驱动电平,使继电器动作,从而驱动切断负载[8],原理框图见图7。

图7 漏电检测原理图

5.5 关断保护分析

在漏电保护电路里设有漏电保护装置的复位开关K来实现关断保护。

6 结论

本文设计了一种以芯片LM257/6和单片机为核心的直流稳压电源及漏电保护装置。该系统可以稳定和精确地输出5 V电压,额定电流1 A；输入电压为7～25 V时,输出电压调整率为0.059%；输入电压为5.5～7 V时,输出电压为5 V±0.05 V；固定7 V输入电压时,负载调整率为0.2%。系统是一种理想的直流稳压电源解决方案,改变了传统的直流稳压电源的设计,具有新颖性、独创性、先进性和环保性。

References)

[1] 李国锋.王宁会.电源技术[M].大连：大连理工大学出版社，2010.

[2] 张明洋.一种5V线性直流稳压电源及漏电保护系统设计[J].中国电子商务,2013(22):235-236.

[3] 望超,余良俊,刘美中，等.直流稳压电源及漏电保护装置设计[J].现代物业·新建设,2013(12):70-73.

[4] 杨欣.电子设计从零开始[M].北京:清华大学出版社,2005：32-352.

[5] 黎会鹏.直流稳压电源及漏电保护装置设计[J].现代商贸工业,2014,26(5):187-188.

[6] 黄根春，周立青，张望先.全国大学生电子设计竞赛教程：基于TI器件设计方法[M].北京:电子工业出版社,2011.

[7] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛：技能训练[M].北京:航天航空大学出社,2008:29-32.

[8] 何希才.稳压电源电路的设计与应用[M].北京:中国电力出版社,2006.

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

Cun Yanping1, Yang Changbao2

(1. College of Mechanical& Electrical Technology,Yunnan Open University, Kunming 650223， China； 2. College of Geo-exploration Science & Technology,Jilin University, Changchun 130026， China)

This paper proposes a design for the linear DC stabilized power supply and leakage-protection device with taking the chips of LM2577,LM2576 and the single-chip microcomputer as the core to produce a DC—DC converter,meanwhile,it provides the DC stabilized power supply with the rated output voltage of 5 V±0.05 V and the rated output current of 1 A.It can achieve that 5 V±0.05 V of output voltage is maintained with 5.5-25 V of input DC voltage whose voltage regulation factor(SU) is less than or equal to 1%.At the same time,the output DC regulated power supply current will reduce from 1 A to 0.01 A when the input voltage is 7 V,and the load regulation rate(SL) will be less than or equal to 1%,it gets the aim of power measurement and real-time display,what’s more,it can also realize the protection-action to the leakage of the simulation-leakage branch.

DC regulated power supply; DC—DC converter; leakage protection; LM2576 / 6; single chip microcomputer

2014- 12- 31

国家“863”计划课题“复杂地形重、磁三维反演技术”(2006AA06Z107)；国家自然科学基金重点项目“长白山火山演变历史及潜在的危险”(40930314)资助

寸彦萍(1973— )，女(白族)，云南鹤庆，硕士，讲师，主要从事电气科学的教学和研究.

E-mail：yangcb2008@163.com

TN86

A

1002-4956(2015)7- 0099- 05