直流稳压电源及漏电保护设计

刘德玉，胡邦南，黄立峰

(湖南工业职业技术学院 电气工程系，湖南 长沙 410208)



直流稳压电源及漏电保护设计

刘德玉，胡邦南，黄立峰

(湖南工业职业技术学院 电气工程系，湖南 长沙 410208)

本系统采用两级稳压的方式，前级稳压芯片将高输入电压降至8.2 V左右，后级稳压采用低压差稳压芯片MIC29302。系统根据输入电压自动选择相应的稳压回路，从而保证电压控制精度、电压调整率和负载调整率。采用霍尔传感器检测漏电电流，当漏电电流超过30 mA时，能准确切断电源并发出报警。数字电路以单片机为核心，实现电压与电流的显示、故障报警、键盘数字给定。本系统功能完善，达到了各项设计指标。

稳压；漏电保护；报警

1 方案比较与论证

1.1 直流稳压

下面给出三种直流稳压方案并进行比较。

方案一：由于输入电压范围比较大，考虑用两级稳压的方式来实现。第一级采用串联型稳压管，进行初步稳压，采用第二级MIC29302稳压芯片，进行精密稳压[1]，如图1所示。

图1 方案一框图

方案二:用三端稳压管双级稳压。直流输入电压首先经过稳压芯片7805初步稳压，再经过第二级LM2940精密稳压电路把电压稳定在5 V[2-3]，如图2所示。

图2 方案二框图

方案三:用三端稳压管双级稳压。设置了一个判断电路,当输入电压大于8.2 V时，采用两级稳压，当输入电压小于8.2 V时，第一级稳压电路被旁路，输入信号直接进入第二级精密稳压。精密稳压芯片采用MIC29302，低压差，能够在5.3 V输入时输出5 V[4-5]，如图3所示。

图3 方案三框图

经仔细分析和论证后，只有方案三完全满足题目要求。直流稳压模块带自适应的两级稳压方式，初级稳压采用LM317,精密稳压采用MIC29302。

1.2 漏电保护装置

方案一:采用电阻采样电流，经AD转换后送单片机比较得到漏电电流值，然后用继电器去控制输出电路通断[6]。

方案二：采用霍尔元件作为漏电电流检测元件，当有漏电发生时，霍尔元件产生感应电流，再送到放大和比较电路输出信号，然后用晶体管组成的自锁电路去控制场效应管，以控制输出电路的通断[7]。

方案一中由于采样电阻与被测元件串联，无法实现隔离测量，而且继电器工作功耗比较大。方案二测量电路和被测电路没有直接的接触，灵敏度较高，采用电子开关工作功耗很低。综合考虑，漏电保护装置选择方案二。

2 总体设计及理论分析计算

2.1 系统总体方案

系统主要包括三个部分：稳压电源、漏电保护装置及单片机系统。单片机部分包括AD采样、按键和显示部分[8]。系统的总体结构框图如图4所示。

图4 系统总体框图

图5 前级稳压及比较电路

系统采用两级稳压方式，当外部输出电压进入电压比较器进行比较，当电压大于8.2 V时，旁路通道关闭，第一级的三端稳压管LM317工作，电压初步稳定在6.5 V左右。6.5 V电压信号再进入到低压差稳压管MIC29302MC精密稳压到5 V。如果外部输入电压小于8.2 V，电压比较器将控制场效应管打开旁路通道，这时第一级稳压被旁路，输入电压直接进入到低压差稳压部分进行精密稳压。

功率测量及显示采用宏晶科技生产的高速单片机STC12C5A60S2实现。在输出端采用霍尔传感器采集输出电流并转换为电压信号，经A/D转换后送到单片机处理，单片机计算后把功率送到显示器并进行语音播报。

漏电保护装置由场效应管电子开关、漏电检测元件、电压放大，电压比较器和复位按键构成。霍尔元件构成的漏电检测部分检测当前电流差值，并与设定值30 mA比较，如果漏电电流大于30 mA将控制场效应管关断并自锁，这时输出电压降为0 V，故障清除后，按下复位开关，输出电压恢复。

2.2 稳压部分分析

稳压电源部分采用两级稳压模块，后级精密稳压的输入电压为5.5～8.2 V。后级稳压芯片MIC29302MC的指标为：最大输出电流3 A，电压调整率<1%，负载调整率小于1%，输出电流1.5 A时压差为250 mV，完全满足题目要求[9]。

2.3 漏电检测部分分析

假设漏电保护装置的输出电流为I1，经过负载后返回电流为I2，则电流的差值就是漏电电流：ΔI=I1-I2。正常的情况下不漏电时，ΔI=0；反之ΔI>0。两个电流I1和I2采用霍尔传感器采样检测出来,再经过放大处理，送比较电路。使用LM311比较器进行比较，漏电电流是否达到30 mA，当未达到30 mA时正常输出；当漏电电路电流超过30 mA时，电路自锁保护，在故障排除后按下开关S1即可恢复输出。

3 单元电路设计

3.1 直流稳压模块设计

第一级稳压及旁路电路如图5所示。

D1、R1、R2和Q4和Q5构成电压比较器，当输入电压低于稳压管导通电压时，MOS管导通，旁路低电压场效应管导通，前级稳压被旁路。当电压大于8.2 V时，稳压二极管导通，Q4、Q5导通，MOS管Vgs电压小于它的导通电压，MOS管截止，旁路低电压场效应管关断，LM317和TIP35、TIP42组成稳压扩流电路工作，当电压小于8.2 V时，采用精密稳压电路。比较电压和LM317输出电压可以调整。

第二级稳压电路如图6。

3.2 漏电保护电路模块

场效应管保护和霍尔元件采样电路如图7所示。

图7 漏电保护电路

漏电保护自锁装置由Q4和Q2构成，场效应管Q1构成保护开关。J3和J4分别接霍尔元件的两级线圈。两级线圈分别检测线路的注入和流出端，然后把这组差分信号送到放大电路控制Q1管动作。经测试当漏电电流大于30 mA时，Q1关断同时自锁电路工作并且语音模块响应报警声音信号，在故障排除后按下开关S1即可恢复输出同时语音提示解除报警信号。漏电小于30 mA时，保护电路输出高电平，Q2和Q4都不动作，当漏电大于30 mA时，输出低电平，Q2导通，然后Q4导通，形成自锁，去控制MOS管，MOS管截止，停止输出。

3.3 AD采样模块

本模块由两路A/D7705采集电路构成，完成输出电压和电流信号的采集，再经处理传送给单片机。TL431是给AD采样提供稳定的基准电压，从而让测量更加稳定，电压是通过精密电阻分压A/D测量，电流是通过霍尔电流传感器，主要是工作内阻超低，然后送到A/D口进行检测。

4 系统软件设计

图8 主控流程图

系统主程序流程图如图8所示。主程序开始对内部功能寄存器、端口、液晶显示模块等初始化，然后在主循环中对键盘和输出端被测电压、电流进行采集，经处理后得到当前功率，电路完成测量并把信息显示在LCD液晶屏上。

5 系统测试

5.1 基本功能测试

(1) 电压调整率测试

当转换开关S接1端，负载RL固定为5 Ω，直流输入电压在7～25 V变化时，测出的输出电压如表1所示。

电压调整率计算：

(2) 负载调整率测试

转换开关S接1端，直流输入电压固定为7 V，当直

表1 电压调整率测试

流稳压电源输出电流由1 A减少到0.01 A时，测出的输出电压如表2所示。

表2 负载调整率测试

从上面的数据来看，本设备数据达到设计要求：输出电压变化为5±0.05 V时，电压调效率SU≤1%。

5.2 发挥部分功能

转换开关S接2端，负载固定为20 Ω，R和电流表A组成模拟漏电电路，调节R设定漏电电流为30 mA，当调节输入电压在5.5～25 V变化时，漏电保护装置无动作时，测量出保护装置输出电压如表3所示。

表3 漏电保护装置测试

转换开关S接2端，R和电流表A组成模拟漏电电路，调节R使漏电电流为变化，当漏电保护装置动作时，测量出漏电电流数据如表4所示。

表4 漏电保护动作电流误差测试

从上面的数据来看，本设计达到要求：漏电保护装置动作电流误差绝对值≤5%。

6 总结

本设计采用宏晶科技生产的8051系列高速单片机STC12C5A60S2，利用MIC29302MC进行两级精密稳压，以霍尔元件为漏电检测元件，场效应管保护开关，带语音和显示实时输出功率模块，经测试完全达到并超出了设计要求。

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

Liu Deyu, Hu Bangnan, Huang Lifeng

(Faculty of Electronics Engineering, Hunan Industry Polytechnic, Changsha 410208, China)

The method of two-level voltage regulator is implemented in the system, the input voltage will be drop to around 8.2 V by the first voltage regulated chip, and MIC29302MC is taken as the second voltage regulated chip. The system automatically selects the corresponding voltage stabilizing circuit according to the input voltage, to ensure the voltage control precision, the voltage adjustment rate,and the load adjustment rate. Using Hall sensor to detect the leakage current, when the leakage current is more than 30 mA, the system is able to cut off the power supply and issue an alarm.The digital circuit unit is based on MCU. The display of the voltage and current,and fault alarm function are implemented. The system has comprehensive performance, and can satisfy all requirements.

regulator; leakage protection; alarm

TN86

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.12.026

刘德玉，胡邦南，黄立峰.直流稳压电源及漏电保护设计[J].微型机与应用，2017,36(12)：87-90.

2016-12-22)

刘德玉(1982-)，男，硕士研究生，讲师，主要研究方向：自动控制。

胡邦南(1969-)，男，硕士研究生，教授，主要研究方向：智能检测与智能控制系统。

黄立峰(1972-)，男，硕士研究生，讲师，主要研究方向：智能控制。