一种新型带漏电保护和功率测量显示的LDO装置的设计

谢永超 ，张文初 ，刘 彤 ，熊 异

（1.湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001；2.西南交通大学，四川 成都 610031）

随着信息科学的快速发展，电源技术变得越来越重要。因低压差线性稳压器（LDO）的体积小、高电源抑制比、功耗小、低噪声以及应用端电路简单等优点在众多电源中，受到人们的普遍关注。此外，由于LDO还具有较好的线性瞬态响应和负载瞬态响应，使它在便携式、工业化、汽车行业等领域占有重要地位，比如在PDA、MP3播放器、无线电话、DDR等电子设备中应用广泛。因此，LDO的设计成为当前电源技术领域的研究热点，具有重要的理论意义和实际应用价值[1-2]。诸多论文从过流、过热、过温等功能出发，设计了不满足不同功能的LDO，但是未见具有漏电保护和功率测量显示功能的LDO的论文发表。本文设计了一款额定输出电压5 V、额定输出电流为1 A、带漏电保护和功率测量显示的低压差线性稳压器（LDO）。

1 LDO系统方案设计

该LDO系统由LDO电源模块、功率测量模块和漏电保护电路组成（如图1所示）。LDO由电流源、基准电压源、误差放大器、调整管及采样电路组成，设计电源额定电压5 V，输出电流1 A的性能指标要求；功率测量模块将采集的电路信号输入到差分放大电路放大，然后输入到STC12C5A60S2单片机自带的A/D转换模块，将模拟信号转换为数字信号，再通过单片机进行功率计算，通过液晶显示功率；漏电保护模块将采集的信号输入到放大电路，进行信号放大，将放大的两路信号通过比较放大后控制RS触发器的输出信号，控制继电器驱动电路，实现漏电保护和自动切断。

2 单元电路设计

1）LDO电路设计

该电源由恒流源 （核心部件为PNP管Q1、NPN管Q2）、基准电压源（稳压管 D1）、误差放大器（集成运放 OP295）、调整管（两只PNP管 Q4和Q5构成）及采样电路组成，达到了电源额定电压5 V，输出电流1 A的性能指标要求。取样电压加在比较器OP295的同相输入端，与加在反相输入端的基准电压U z相比较，两者的差值经放大器OP295放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。当输出电压Uout降低时，基准电压与取样电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，串联调整管压降减小，从而使输出电压升高。相反，若输出电压Uout超过所需要的设定值，比较放大器输出的前驱动电流减小，从而使输出电压降低。具体电路如图2所示。

图1 LDO系统设计框图Fig.1 The system design diagram of LDO

图2 LDO单元电路Fig.2 The unit circuit of LDO

2）功率测量单元电路

该模块将采集到的采样电阻R14两端的电压信号输入到由集成运放OP252构成的差分放大电路放大，然后输入到采用STC12C5A60S2单片机自带的A/D转换模块，将模拟信号转换为数字信号，再通过单片机进行功率计算，通过液晶显示功率。具体电路如图3所示。

3）漏电保护单元电路

该模块将采集的信号输入到专用集成仪表放大芯片INA333构成的放大电路，进行信号放大，将放大的两路信号通过比较放大后控制RS触发器的输出信号，控制继电器驱动电路，实现漏电保护，并通过执行机构继电器实现自动切断。具体电路如图4所示。

3 输出功率测量显示程序流程图

主程序中主要对AD，LCD、定时器进行初始化。AD采用STC12C5A60S2自带AD端口P1.1，P1.2，以8位分辨率进行采集模拟电压，并通过计算转换为实际的电压、电流；定时器定时1 ms，每次中断进行计数，计数到1 000次时为1 s，这时候通过AD转换采集Uout，和Iout，并计算瞬时功率，同时送LCD进行显示。所以显示刷新率为1 s，每1 s刷新采集一次瞬时电压、电流和功率。程序流程图如图5所示。

图3 功率测量电路Fig.3 Circuit of power measurement

图4 漏电保护电路Fig.4 Circuit of leakage protection

图5 系统程序流程图Fig.5 The program flow chart of system

4 测试结果

1）RL阻值固定为5Ω。当直流输入电压在7~25 V变化时如表1所示。

表1 输出电压测试表Tab.1 Test table of output voltage

2）RL阻值固定为5Ω。当直流输入电压在5.5~7 V变化时如表2所示。

3）直流输入电压固定在7 V，当LDO输出电流由1 A减小到0.01 A时如表3所示。

表2 输出电压测试表Tab.2 Test table of output voltage

表3 输出电压测试表Tab.3 Test table of output voltage

4）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。调节R，将漏电动作电流设定为25 mA。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S1恢复输出。要求漏电保护装置没有动作时，输出电压=4.9 V。

5）实现了功率测量与显示，能实时显示稳压电源的输出功率。

5 结 论

文中设计了一款额定输出电压5 V、额定输出电流为1 A、带漏电保护和功率测量显示的低压差线性稳压器（LDO），测试结果表明，当负载阻值为5Ω，直流输入电压在5.5~7 V变化时，输出电压稳定在4.98 V，输入电压在7~25 V变化时，电压调整率为0.2%；直流输入电压固定在7 V，LDO输出电流由1 A减小到0.01 A时，负载调整率为0.1%；当漏电电流≥25 mA时，漏电保护装置动作，负载电阻两端输出电压为0 V，并保持自锁。具有较强的实践意义。

[1]刘明亮，明鑫，欧雪春，等.一种带过温保护和折返电流限的LDO设计[J].微电子学，2011，6（3）:411-415.LIU Ming-liang，MING Xin，OU Xue-chun，et al.Design of LDO with thermal protection and fold-back current limit[J].Microelectronics，2011，6（3）:411-415.

[2]马洪涛，沙占友，王彦鹏.LDO和VLDO的设计原理及性能测试[J].电源技术应用，2009，9（10）:26-29.MA Hong-tao，SHA Zhan-you，WANG Yan-peng.Designing principles and performance test of LDO an d VLDO[J].Power Supply Technolog ies and Applictions，2009，9（10）:26-29.

[3]樊华，冯全源.一种新型的基于LDO的过流保护电路设计[J].微电子学与计算 机，2006，2（23）:7.FAN Hua，FENG Quan-yuan.A novel current limiter based on LDO[J].Microelectronics and Computer，2006，2（23）:7.

[4]闫良海，吴金，庞坚，等.LDO过流与温度保护电路的分析与设计[J].电子器件，2006，6（3）:127-129.YAN Liang-hai，WU Jin，PANG Jian，et al.Analysis and design of over-current and temperature protect for LDO circuit[J].Chinese Journal of Electron Devices，2006，6（3）:127-129.

[5]万辉，刘聚川.一种新颖的LDO线性稳压器[J].微电子学，2013，6（3）:359-368.WAN Hui，LIU Juc-huan.A novel low-dropout linear Regulator[J].Microelectronics，2013，6（3）:359-368.

[6]田楠，张国俊.一种带过温过流过压保护的LDO设计[J].微电子学与计算 机，2013，4（4）:139-142.TIAN Nan，ZHANG Guo-jun， Design of LDO With a over temperature，over current and over voltage protection for[J].Microelectronics and Computer，2013，4（4）:139-142.