直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)裝置教材

1、2013 年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)裝置（直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)裝置（L 題）題）【高職高專組高職高專組】2013 年年 9 月月 6 日日摘摘 要要 利用 LM358 和 pmos 管 IRF9540 設(shè)計(jì)一種超低壓差穩(wěn)壓電源電路。電路器件選用常規(guī)器件，成本低。結(jié)構(gòu)簡單。本電路包括主線性變換電源電路、顯示控制電路和漏電保護(hù)控制電路三部分。其中主線性變換電源電路基于 VLDO 原理設(shè)計(jì)，調(diào)整管采用 pmos 管 IRF9540。壓降可以達(dá)到 0.2V。功率顯示電路采用液晶，由單片機(jī)控制。漏電保護(hù)控制電路采用單片機(jī)控制，對高低電位分別采用 MAX4173 和運(yùn)放組成電流采樣電

2、路，由單片機(jī)控制繼電器控制電源開關(guān)。文章的最后提出系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了各個功能模塊的軟件流程圖。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：VLDO 單片機(jī) 電流采樣電路0目目 錄錄1 系統(tǒng)方案系統(tǒng)方案.21.1 線性直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的論證與選擇線性直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的論證與選擇.21.2 電流檢測系統(tǒng)的論證與選擇電流檢測系統(tǒng)的論證與選擇.31.3 漏電保護(hù)系統(tǒng)的論證與選擇漏電保護(hù)系統(tǒng)的論證與選擇.52 單元電路設(shè)計(jì)單元電路設(shè)計(jì).62.1 線性直流穩(wěn)壓電源線性直流穩(wěn)壓電源.62.1.1 線性直流穩(wěn)壓電源原理圖.62.1.2 線性直流穩(wěn)壓電源原理分析.62.2 電流檢測系統(tǒng)電流檢測系統(tǒng).72.2.1 顯示系統(tǒng)電路原理圖

3、.72.2.2 顯示系統(tǒng)電路原理分析.72.3 漏電保護(hù)系統(tǒng)漏電保護(hù)系統(tǒng).82.3.1 漏電保護(hù)系統(tǒng)電路原理圖.82.3.2 漏電保護(hù)系統(tǒng)電路原理分析.83 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).83.1 主程序流程圖主程序流程圖.103.2 顯示流程圖顯示流程圖.113.3 電壓電流檢測流程圖電壓電流檢測流程圖.114 測試方案與測試結(jié)果測試方案與測試結(jié)果.124.1 測試條件與儀器測試條件與儀器.124.2 測試方法測試方法.124.3 測試結(jié)果及分析測試結(jié)果及分析.13附錄附錄 1：PCB 圖圖.14附錄附錄 2：源程序：源程序.1511 系統(tǒng)方案系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要主線性變換電源電路、顯示控制電路和

4、漏電保護(hù)控制電路三部分。 ，下面分別論證這 3 個模塊的選擇。 1.1 線性直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的論證與選擇線性直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的論證與選擇方案一：低壓差穩(wěn)壓電路圖 1 低壓差穩(wěn)壓電路采用 PNP 型功率管作調(diào)整管，并且不需要驅(qū)動管?？纱蟠蠼档洼斎?輸出壓差。滿載時輸入-輸出壓差的典型值小于 500mV，輕載時僅為 1050mV。但低壓差線性穩(wěn)壓器有其不足之處，即所需的基極驅(qū)動電流及靜態(tài)工作電流 Id 較大。滿載時若 PNP 管的 值為 1520 倍，則 LDO 的 Id(5%7%)Io。由它產(chǎn)生的功耗會限制穩(wěn)壓器效率的進(jìn)一步提高，這在電池供電的低功耗系統(tǒng)中是不容忽視的問題。方案二：準(zhǔn)低壓差集成穩(wěn)

5、壓電路圖 2 準(zhǔn)低壓差集成穩(wěn)壓電路它兼有普通集成穩(wěn)壓器驅(qū)動電流小、低壓差集成穩(wěn)壓器輸入-輸出壓差低的優(yōu)點(diǎn)。但其容量可比低壓差穩(wěn)壓電路用得小，對電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)要求較低。2方案三：超低壓差穩(wěn)壓電路圖 3 超低壓差穩(wěn)壓電路采用 P 溝道功率場效應(yīng)管 MOSFET 來代替 PNP 型功率管作為調(diào)整管，MOSFET本身還帶保護(hù)二極管(VD)。P 溝道 MOSFET 屬于電壓控制型器件，其柵極驅(qū)動電流板小，而通態(tài)電阻非常低，通態(tài)壓降遠(yuǎn)低于雙極性晶體管的飽和壓降，這不僅能大大降低輸入-輸出壓差，還能在微封裝下輸出更大的電流。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.2 電流檢測系統(tǒng)的論證與選擇電流檢測

6、系統(tǒng)的論證與選擇方案一：低端電流檢測法圖 4 低端電流檢測法該電路雖然體積小、電路簡單且很容易采用一個基本的同相增益級來實(shí)現(xiàn)。但是需要排布從地至負(fù)載的返回接線，增加了額外的電阻且有幾種故障狀態(tài)是低端檢流電路檢測不到的，這會使負(fù)載處于危險的情況。3方案二：傳統(tǒng)高端檢測法圖 5 傳統(tǒng)高端檢測法采用差分運(yùn)放做增益放大并將信號電平從高端移位到參考地。VO=IRS*RS；R1=R2=R3=R4 該方案已廣泛應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中，但該電路輸入電阻相對較低，等于 R1、輸入端的輸入電阻一般有較大的誤差值、要求電阻的匹配度要高，以保證可接受的 CMRR。任何一個電阻產(chǎn)生 1%變化就會使 CMRR 降低到 46dB

7、；0.1%的變化使 CMRR 達(dá)到 66dB，0.01%的變化使 CMRR 達(dá)到 86dB。高端電流檢測需要較高的測量技巧，這促進(jìn)了高端檢流集成電路的發(fā)展。而低端電流檢測技術(shù)似乎并沒有相應(yīng)的進(jìn)展。方案三：MAX4173 高端電流檢測法4圖 6 MAX4173 高端電流檢測法輸出電壓與檢流電阻的關(guān)系式為：Vo=Gain*Rsense*Iload;Gain= B*RGD/RG1 Gain通過以上計(jì)算公式可看出，CMRR 由內(nèi)部集成檢流電路的工藝決定(典型值90dB） ，不再受外部電阻的影響。且器件的一致性好、極好的溫漂特性、體積小、低功耗、使用方便。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.3 漏電保護(hù)系

8、統(tǒng)漏電保護(hù)系統(tǒng)的論證與選擇的論證與選擇方案一：漏電保護(hù)系統(tǒng)圖 7 漏電保護(hù)系統(tǒng)使用了直流三端可調(diào)組件 LM317 配以 12V 變壓器,讓電壓可以在 113V1415V之間連續(xù)可調(diào),這樣就解決了以上問題,滿足了實(shí)驗(yàn)需要。利用 LM317 組件有過熱過流自保護(hù)功能,只需再設(shè)置短路聲光報警功能,便可提示學(xué)生及時關(guān)閉電源,進(jìn)而排除實(shí)驗(yàn)故障。利用本設(shè)計(jì)改進(jìn)的穩(wěn)壓電源,由于采用了集成元件,使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡潔、易維修,且性能穩(wěn)定、使用方便。故采用該方案。52 單元電路設(shè)計(jì)單元電路設(shè)計(jì)2.1 線性直流穩(wěn)壓電源線性直流穩(wěn)壓電源 2.1.1 線性直流穩(wěn)壓電源原理圖線性直流穩(wěn)壓電源原理圖圖 8 線性直流穩(wěn)壓電源電路

9、原理圖2.1.2 線性直流穩(wěn)壓電源原理分析線性直流穩(wěn)壓電源原理分析該電路由 TL431 提供 2.5V 的基準(zhǔn)電壓，采用 P 溝道功率場效應(yīng)管 MOSFET 來代替 PNP 型功率管作為調(diào)整管，MOSFET 本身還帶保護(hù)二極管(VD)。R4，C3 組成積分電路延緩跳變電壓。C1，C2，C5，C6 起濾波作用。采用 P 溝道功率場效應(yīng)管MOSFET 來代替 PNP 型功率管作為調(diào)整管，MOSFET 本身還帶保護(hù)二極管(VD)。P 溝道 MOSFET 屬于電壓控制型器件，其柵極驅(qū)動電流板小，而通態(tài)電阻非常低，通態(tài)壓降遠(yuǎn)低于雙極性晶體管的飽和壓降，這不僅能大大降低輸入-輸出壓差，還能在微封裝下輸出更

10、大的電流。62.2 電流檢測系統(tǒng)電流檢測系統(tǒng)2.2.1 顯示系統(tǒng)電路原理圖顯示系統(tǒng)電路原理圖圖 9 顯示系統(tǒng)電路原理圖2.2.2 顯示系統(tǒng)電路原理分析顯示系統(tǒng)電路原理分析MAX 4173 的工作原理如圖 6 所示。方框內(nèi)的部分是該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu), 其中A1 和 A2 是兩個運(yùn)算放大器, 構(gòu)成差動輸入, 這樣可以增強(qiáng)抗干擾能力, 提高小電流信號的測量準(zhǔn)確度;Q1 和 Q2 是兩個三極管;COMP 是一比較器;Rsence 是電流采樣電阻,采用熱穩(wěn)定性好、漂移小的康銅絲制作。方框外面的部分是用戶可以根據(jù)自己的需要而改變的電路。其工作原理詳述如下： 假定電流是從左向右( 如圖中 Iload 方向所示

11、) 流過電流采樣電阻 Rsence, 通過一電阻 Rout 接地。這樣,運(yùn)放 A1 工作, 產(chǎn)生電流 Iout 從 Q1 的發(fā)射極流出。而此時運(yùn)放 A2 是截止的, 沒有電流從 Q2 流出。A1 的負(fù)輸入端( - ) 電位為：Vpower=IloadRsence,A1 的開環(huán)增益使其正輸入端(+) 與負(fù)輸入端( -)有相同的電位。故 RG1 的壓降為：IloadRsence,經(jīng)過計(jì)算, 電壓/ 電流轉(zhuǎn)換的比例 P 由下式給出：P=Vout/Iload=Rsence(Rout/RG1)根據(jù)上式 Rsence 取較小的值。通過(Rout/RG1)把比例設(shè)置為一個合適的值。對于小電流, 可以獲得較大

12、的輸出測量電壓 Vout, 避免前述直接測量電流信號太小的缺點(diǎn); 對于較大的電流, 又不會對電路的帶載能力產(chǎn)生較大的影響。在電路的具體應(yīng)用中, 電7路各參數(shù)具體計(jì)算要滿足該芯片技術(shù)條件要求OUT 端的輸出電壓 Vout(VRG - 1.5V)OUT 端的輸出電流 Iout1.5mA液晶顯示器件 LCD 的顯示原理是：在兩片玻璃基板上裝有配向膜，所以液晶會沿著溝槽配向，具有偶極矩的液晶棒狀分子在外加電場的作用下其排列狀態(tài)發(fā)生變化，使得通過液晶顯示器件的光被調(diào)制，從而呈現(xiàn)明與暗或透過與不透過的顯示效果。液晶顯示器件中的每個顯示像素都可以單獨(dú)被電場控制，不同的顯示像素按照控制信號的“指揮”便可以在顯

13、示屏上組成不同的字符、數(shù)字及圖形。因此建立顯示所需的電場以及控制顯示像素的組合就成為液晶顯示驅(qū)動器和液晶顯示控制器的功能。2.3 漏電保護(hù)系統(tǒng)漏電保護(hù)系統(tǒng) 2.3.1 漏電保護(hù)系統(tǒng)電路原理圖漏電保護(hù)系統(tǒng)電路原理圖圖10 漏電保護(hù)系統(tǒng)電路原理圖2.3.2 漏電保護(hù)系統(tǒng)電路原理分析漏電保護(hù)系統(tǒng)電路原理分析電阻 Ri 與三極管 VQ3 組成過流保護(hù)環(huán)節(jié)。輸出電流過大時，取樣電阻 Ri 上的電壓大于 0.7V，VQ3 導(dǎo)通，迫使調(diào)整管基極電壓 Vbe 降低，直到關(guān)閉電源輸出。R4=0.7/kIC。其中，LC 為輸出電流，K 為最大過流系數(shù)，通常取值約 1.5。R7=(Vcc-Uce3)/Ie3Vrg/

14、Ic3，限制 Ic3 不宜過大，以免 VQ3 過流損壞。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用數(shù)據(jù)口和單片機(jī)的雙向口 P0 口直接相連。因?yàn)橐壕э@示模塊的控制由 CPU8控制，他們需要同時讀寫內(nèi)存，CPU 選用常用的 STC12C5A60S2，液晶模塊為HITACHI 公司 KS0108 即（HD61202）液晶控制器的單 5V 供電的 12864 點(diǎn)陣液晶。利用 STC12C5A60S2 控制液晶顯示器,由于它內(nèi)部有 8K 字節(jié)的 FLASH 編程和只讀存儲器（PEROM,用戶編制的程序及需要顯示的英文字母、數(shù)字、漢字、曲線和圖形都可以存儲在里面，免去了擴(kuò)展外部存儲器的麻煩，使得 STC12C5A

15、60S2 單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)電路更簡單。因此十分適用于液晶顯示。液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)具備了很強(qiáng)8的通用性，可以被廣泛應(yīng)用到各種系統(tǒng)中。目前系統(tǒng)一般為 3V 電平或 5V 電平系統(tǒng)，因此液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)也考慮到了，所以采用了 5V 電平。液晶顯示模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 3.4 所示。外部控制器將欲顯示的數(shù)據(jù)寫入雙口 RAM，CPU 則不斷掃描內(nèi)存，根據(jù)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，不斷刷新液晶顯示屏上的顯示。綜合考慮液晶和系統(tǒng)操作的時序，STC12C5A60S2 單片機(jī)運(yùn)行在 12MHz 時鐘下。 外部控制器的數(shù)據(jù)、地址、控制總線通過接插件引入液晶顯示模塊。因?yàn)殡p口RAM 的輸入輸出為 TTL

16、電平，因此作為 5V 的系統(tǒng)，地址和控制總線可以直接引12入。而數(shù)據(jù)總線因?yàn)槭?8 漏極的雙向 I/O 口，每個引腳可以吸收 8 個 TTL 輸入。因此如果直接與數(shù)據(jù)口相連，在雙口 RAM 輸出數(shù)據(jù)的時候電平會是弱低，使得輸出不能正常的工作，因此必須加如 8 個上 10K 的拉電阻，這樣才能拉高電平，使數(shù)據(jù)口正常輸出。但是由于液晶顯示器和 CPU 的接口線比較長，CPU 不能正常的驅(qū)動液晶顯示器，因此設(shè)計(jì)一個總線驅(qū)動器，采用 74LLS245 進(jìn)行總線電平轉(zhuǎn)換。這樣，顯示器就可以正常的工作了。單片機(jī)可以通過數(shù)據(jù)總線與控制信號直接采用存儲器訪問形式、I/O 設(shè)備訪問形式控制該液晶顯示模塊。單片機(jī)

17、 STC12C5A60S2 和液晶顯示器的接口電路如圖 3.4 所示。該圖采用間接訪問方式，單片機(jī)通過 P2.4 口控制 CSA；P2.3 口控制 CSB，以選通液晶顯示屏上各區(qū)的控制器 HD61202；同時單片機(jī) STC12C5A60S2 用地址 P2.1 作為R/W 信號控制數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)流向；用地址 P2.0 作為 D/I 信號控制寄存器的選擇；E信號由單片機(jī)的 P2.2 口產(chǎn)生；另外單片機(jī)的復(fù)位引腳直接由 P2.5 控制；從而實(shí)現(xiàn)了STC12C5A60S2 對內(nèi)置 HD61202 圖形液晶顯示器模塊的電路連接。電路中 LCD 電源控制端 VO 是用來調(diào)節(jié)顯示屏灰度的，調(diào)節(jié)該端的電壓，可

18、改變顯示屏字符、圖形的顏色深淺。單片機(jī)對液晶顯示模塊的操作可分為兩部分,即左半屏和右半屏操作。93.1 主程序流程圖主程序流程圖圖 11 主程序流程圖開始初始化是否到20ms？顯示是否到50ms？檢測電壓、電流值是否否是103.2 顯示流程圖顯示流程圖開始顯示電流值顯示電壓值顯示功率返回圖 12 顯示流程圖3.3 電壓電流檢測流程圖電壓電流檢測流程圖開始返回電壓檢測電流檢測11圖 13 電壓電流檢測流程圖4 測試方案與測試結(jié)果測試方案與測試結(jié)果4.1 測試條件與儀器測試條件與儀器測試條件：檢查多次，硬件電路與系統(tǒng)原理圖完全相同，硬件電路無虛焊。各模塊均正常工作。道示波器、數(shù)字萬用表、大功率滑動

19、變阻器、計(jì)算機(jī)、USB 轉(zhuǎn)串口通信線。4.2 測試方法測試方法首先，根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案圖進(jìn)行電路的連接，并檢查電路無誤后，開通電源。其次，開通數(shù)字萬用表和示波器，并確定它們正常工作。最后，觸摸觸摸點(diǎn)，讓電壓步進(jìn)增加或減小，觀察液晶顯示的讀數(shù)和示波器的讀數(shù)并進(jìn)行比較，列表。 （讀數(shù)包含相應(yīng)的電流和電壓值）多次進(jìn)行觸摸，觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定性。負(fù)載調(diào)整率的定義為電源在輸出負(fù)載電流變化時，其提供穩(wěn)定輸出電壓的能力。所需的設(shè)備和連接方式與測電源調(diào)整率相似，唯一不同的是需要精密的電流表和與待測電源的輸出串聯(lián)。測試步驟如下：待測電源在正常輸入電壓及負(fù)載情況下熱機(jī)穩(wěn)定后，測量正常負(fù)載下的輸出電壓值，再分別于低(Mi

20、n)、高(Max)負(fù)載下，測量并記錄其輸出電壓值(分別為 Vmax 與 Vmin)。負(fù)載調(diào)整率通常以正常的固定輸入電壓下，由負(fù)載電流變化所造成電源輸出電壓偏差率的百分比。待測電源在正常輸入電壓和負(fù)載情況下熱機(jī)穩(wěn)定后，分別于 Min（低）Nomal(通常)，和 Max(高)輸入電壓下測量并記錄其輸出電壓值。電源調(diào)整率通常在一正常之固定負(fù)載(Nommal Load)下，看具輸入電壓變化所造成電源輸出電壓偏差率(deviation)的百分比。124.3 測試結(jié)果及分析測試結(jié)果及分析表 1基本要求基本要求 1 1 所測得電路數(shù)據(jù)所測得電路數(shù)據(jù)RL55555輸入電壓7V10V15V20V25V輸出電壓5

21、.01V5.01V4.99V5.01V5.01V電壓調(diào)整率符合符合符合符合符合基本要求基本要求 2 2 所測得電路數(shù)據(jù)所測得電路數(shù)據(jù)RL55555輸入電壓5.5V5.8V6V6.5V7V輸出電壓5.01V5.01V4.99V5.01V5.01V電壓調(diào)整率符合符合符合符合符合基本要求基本要求 3 3 所測得電路數(shù)據(jù)所測得電路數(shù)據(jù)負(fù)載5500輸入電壓7V7V輸出電壓5.00V5.00V電壓調(diào)整率符合符合基本要求基本要求 4 4 所測得電路數(shù)據(jù)所測得電路數(shù)據(jù)輸出電壓4.995V5.001V5.000V4.999V5.005V輸出電流1.001A0.773A0.675A0.899A0.012A輸出功率

22、4.99W3.87W3.38W4.49W0.06W發(fā)揮部分發(fā)揮部分 1 1 所測得電路數(shù)據(jù)所測得電路數(shù)據(jù)RL漏電動作電流動作前 RL 兩端電壓動作后 RL 兩端電壓2030mA4.85V0V發(fā)揮部分發(fā)揮部分 2 2 所測得電路數(shù)據(jù)所測得電路數(shù)據(jù)理論漏電動作電流實(shí)際漏電動作電流誤差值30mA29.8mA99.30%發(fā)揮部分發(fā)揮部分 3 3 所測得電路數(shù)據(jù)所測得電路數(shù)據(jù)接入功耗20mA綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。13附錄附錄 1：原理圖：原理圖12348D1LM358G1D2S3Q21122+C22200UF12C110412R31K12R51K12R450K12C3222132C4TL4311

23、2R610K12R710K12R810K12C5104+C61000UFVCCVCCG1D2S3Q112R10.05/5W112233R21KAABB123D10CON3OUTC12R?100k12R?100kD1J?CON112R?2KD?LED123456D1SW-PB12R50.05223311Q18550VCC12345D4JDQD3DIODEVCC12R6100k12R12100k12345678U335812R13100k12R7100k12R810K12R1410K1234D2CON412R9200K1122C3301122C4301122Y112MHZP101VCC40P112

24、P0039P123P0138P134P0237P145P0336P156P0435P167P0534P178P0633RESET9P0732RXD10EAVP31TXD11ALEP30INT012PSEN29INT113P2728T014P2627T115P2526WR16P2425RD17P2324X218P2223X119P2122GND20P2021U2STC89C52VCCP10P11P12P13P14P15P16P17P30P31P32P33P34P35P36P37P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27RST112233445

25、5667788J4CON81122334455667788J5CON81122334455667788J6CON81122334455667788J7CON8P00P01P02P03P04P05P06P07P10P11P12P13P14P15P16P17P20P21P22P23P24P25P26P27P30P31P32P33P34P35P36P37112233445566778899J3CON912R10100P351122R1110K1122S1SW-PBVCCK2P34+C1100UF12C2104VCC12R110K12R40.0523148U1A12R210K12R3500k132R1

26、6TL43112R151KVCCP111J2CON11J1CON1DYDYDYDYVCC14附錄附錄 2：PCB 圖圖15附錄附錄 3：源程序：源程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ=P37;/ds18b20 與單片機(jī)連接口sbit RS=P30;sbit RW=P31;sbit EN=P32;unsigned char code str1=temperature: ;unsigned char code str2= ; uchar data disdata5;uint tvalue;/溫度值

27、uchar tflag;/溫度正負(fù)標(biāo)志/*lcd1602 程序*/ void delay1ms(unsigned int ms)/延時 1 毫秒（不夠精確的） unsigned int i,j; for(i=0;ims;i+) for(j=0;j0;i-) DQ = 0; /給脈沖信號 dat=1; DQ = 1; /給脈沖信號 if(DQ) dat|=0 x80; delay_18B20(10); return(dat); void ds1820wr(uchar wdata)/*寫數(shù)據(jù)*/ unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = wdata&0 x01; delay_18B20(10); DQ = 1; wdata=1; read_temp()/*讀取溫度值并轉(zhuǎn)換*/ uchar a,b; ds1820rst(); ds1820wr(0 xcc);/*跳過讀序列號*/ ds1820wr(0 x