一種新型帶漏電保護(hù)和功率測(cè)量顯示的LDO裝置的設(shè)計(jì)

謝永超 ，張文初 ，劉 彤 ，熊 異

（1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001；2.西南交通大學(xué)，四川 成都 610031）

隨著信息科學(xué)的快速發(fā)展，電源技術(shù)變得越來(lái)越重要。因低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）的體積小、高電源抑制比、功耗小、低噪聲以及應(yīng)用端電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在眾多電源中，受到人們的普遍關(guān)注。此外，由于LDO還具有較好的線性瞬態(tài)響應(yīng)和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，使它在便攜式、工業(yè)化、汽車(chē)行業(yè)等領(lǐng)域占有重要地位，比如在PDA、MP3播放器、無(wú)線電話(huà)、DDR等電子設(shè)備中應(yīng)用廣泛。因此，LDO的設(shè)計(jì)成為當(dāng)前電源技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[1-2]。諸多論文從過(guò)流、過(guò)熱、過(guò)溫等功能出發(fā)，設(shè)計(jì)了不滿(mǎn)足不同功能的LDO，但是未見(jiàn)具有漏電保護(hù)和功率測(cè)量顯示功能的LDO的論文發(fā)表。本文設(shè)計(jì)了一款額定輸出電壓5 V、額定輸出電流為1 A、帶漏電保護(hù)和功率測(cè)量顯示的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）。

1 LDO系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該LDO系統(tǒng)由LDO電源模塊、功率測(cè)量模塊和漏電保護(hù)電路組成（如圖1所示）。LDO由電流源、基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器、調(diào)整管及采樣電路組成，設(shè)計(jì)電源額定電壓5 V，輸出電流1 A的性能指標(biāo)要求；功率測(cè)量模塊將采集的電路信號(hào)輸入到差分放大電路放大，然后輸入到STC12C5A60S2單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行功率計(jì)算，通過(guò)液晶顯示功率；漏電保護(hù)模塊將采集的信號(hào)輸入到放大電路，進(jìn)行信號(hào)放大，將放大的兩路信號(hào)通過(guò)比較放大后控制RS觸發(fā)器的輸出信號(hào)，控制繼電器驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)和自動(dòng)切斷。

2 單元電路設(shè)計(jì)

1）LDO電路設(shè)計(jì)

該電源由恒流源 （核心部件為PNP管Q1、NPN管Q2）、基準(zhǔn)電壓源（穩(wěn)壓管 D1）、誤差放大器（集成運(yùn)放 OP295）、調(diào)整管（兩只PNP管 Q4和Q5構(gòu)成）及采樣電路組成，達(dá)到了電源額定電壓5 V，輸出電流1 A的性能指標(biāo)要求。取樣電壓加在比較器OP295的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準(zhǔn)電壓U z相比較，兩者的差值經(jīng)放大器OP295放大后，控制串聯(lián)調(diào)整管的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)輸出電壓Uout降低時(shí)，基準(zhǔn)電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅(qū)動(dòng)電流增加，串聯(lián)調(diào)整管壓降減小，從而使輸出電壓升高。相反，若輸出電壓Uout超過(guò)所需要的設(shè)定值，比較放大器輸出的前驅(qū)動(dòng)電流減小，從而使輸出電壓降低。具體電路如圖2所示。

圖1 LDO系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 The system design diagram of LDO

圖2 LDO單元電路Fig.2 The unit circuit of LDO

2）功率測(cè)量單元電路

該模塊將采集到的采樣電阻R14兩端的電壓信號(hào)輸入到由集成運(yùn)放OP252構(gòu)成的差分放大電路放大，然后輸入到采用STC12C5A60S2單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行功率計(jì)算，通過(guò)液晶顯示功率。具體電路如圖3所示。

3）漏電保護(hù)單元電路

該模塊將采集的信號(hào)輸入到專(zhuān)用集成儀表放大芯片INA333構(gòu)成的放大電路，進(jìn)行信號(hào)放大，將放大的兩路信號(hào)通過(guò)比較放大后控制RS觸發(fā)器的輸出信號(hào)，控制繼電器驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)，并通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)繼電器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切斷。具體電路如圖4所示。

3 輸出功率測(cè)量顯示程序流程圖

主程序中主要對(duì)AD，LCD、定時(shí)器進(jìn)行初始化。AD采用STC12C5A60S2自帶AD端口P1.1，P1.2，以8位分辨率進(jìn)行采集模擬電壓，并通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換為實(shí)際的電壓、電流；定時(shí)器定時(shí)1 ms，每次中斷進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到1 000次時(shí)為1 s，這時(shí)候通過(guò)AD轉(zhuǎn)換采集Uout，和Iout，并計(jì)算瞬時(shí)功率，同時(shí)送LCD進(jìn)行顯示。所以顯示刷新率為1 s，每1 s刷新采集一次瞬時(shí)電壓、電流和功率。程序流程圖如圖5所示。

圖3 功率測(cè)量電路Fig.3 Circuit of power measurement

圖4 漏電保護(hù)電路Fig.4 Circuit of leakage protection

圖5 系統(tǒng)程序流程圖Fig.5 The program flow chart of system

4 測(cè)試結(jié)果

1）RL阻值固定為5Ω。當(dāng)直流輸入電壓在7~25 V變化時(shí)如表1所示。

表1 輸出電壓測(cè)試表Tab.1 Test table of output voltage

2）RL阻值固定為5Ω。當(dāng)直流輸入電壓在5.5~7 V變化時(shí)如表2所示。

3）直流輸入電壓固定在7 V，當(dāng)LDO輸出電流由1 A減小到0.01 A時(shí)如表3所示。

表2 輸出電壓測(cè)試表Tab.2 Test table of output voltage

表3 輸出電壓測(cè)試表Tab.3 Test table of output voltage

4）將RL接到漏電保護(hù)裝置的輸出端，阻值固定為20Ω，R和電流表A組成模擬漏電支路。調(diào)節(jié)R，將漏電動(dòng)作電流設(shè)定為25 mA。當(dāng)漏電保護(hù)裝置動(dòng)作后，RL兩端電壓為0 V并保持自鎖。排除漏電故障后，按下S1恢復(fù)輸出。要求漏電保護(hù)裝置沒(méi)有動(dòng)作時(shí)，輸出電壓=4.9 V。

5）實(shí)現(xiàn)了功率測(cè)量與顯示，能實(shí)時(shí)顯示穩(wěn)壓電源的輸出功率。

5 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)了一款額定輸出電壓5 V、額定輸出電流為1 A、帶漏電保護(hù)和功率測(cè)量顯示的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)負(fù)載阻值為5Ω，直流輸入電壓在5.5~7 V變化時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定在4.98 V，輸入電壓在7~25 V變化時(shí)，電壓調(diào)整率為0.2%；直流輸入電壓固定在7 V，LDO輸出電流由1 A減小到0.01 A時(shí)，負(fù)載調(diào)整率為0.1%；當(dāng)漏電電流≥25 mA時(shí)，漏電保護(hù)裝置動(dòng)作，負(fù)載電阻兩端輸出電壓為0 V，并保持自鎖。具有較強(qiáng)的實(shí)踐意義。

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