带漏电保护装置的低压差宽范围直流电源设计

朱海洋

（广东松山职业技术学院，广东 韶关 512126）

带漏电保护装置的低压差宽范围直流电源设计

朱海洋

（广东松山职业技术学院，广东 韶关 512126）

针对传统模拟线性电源输入范围小、输入输出电压差大等缺点，提出一种基于 PMOS管及高精度单电源运放拓扑结构电源调整电路，利用恒流源组成的高精度参考电压源，使电源在 5.5V～25V输入电压时亦能获得 5V稳定输出，最低差达到 0.5V.为实现直流漏电检测，应用电流差法检测负载输入、输出端的电流值，由微处理器进行电流差运算后判断电路是否漏电.电路设计采用了 Proteus仿真手段，制作实物并使用 Agilent34110A6位半数字万用表进行测试，在负载为 5Ω时测得电源调整率为0.4%，输入电压为5.5V～25V固定负载条件下测得调整率为0.98%.

直流电源；恒流源；电流差；漏电保护；调整率

0 引言

传统线性稳压电路输入、输出压差大，电路功耗大，发热严重效率低，输入电压范围过小，使用受到限制［1］.尽管集成低压差（Low Drop Out）稳压芯片应用越来越广泛，但是其输入电压范围依旧很小，多用于便携试低压供电设备［2］.文献3使用 Boost-Buck升-降压拓扑电路以期获得宽输入范围及低压差，但该方案电路复杂，且控制策略繁琐，电路工作时还会产生难以抑制的高频 EMI电磁干扰，影响信号敏感电路的正常工作［4］.漏电保护器作为一种监测保护装置，是配电线路及用电设备所必须的，但在直流漏电检测中交流漏电检测方式不适用，在直流漏电检测方法常用电桥法、信号注入法、差流检测方法等， 其中差流检测技术实现简单、 可靠性高［5］.文章基于Proteus仿真设计手段设计一种基于低压差、宽范围的带直流保护电路的直流电源，样机测试指标满足设计要求.

1 设计方案

为获得宽范围、低压差电源电路，设计并制作一个带模拟漏电保护装置的直流稳压电源，电路连接如图 1所示.图中 RL为负载电阻，R为模拟漏电电阻，A为漏电流显示电流表，S为转换开关，K为漏电保护电路复位按钮.稳压电源额定输出电压 5V，额定输出电流1A，额度输入电压范围为 5.5V～25V，压差≤0.5V，负载 RL固定为 5Ω时输出电压为 5±0.05V，电源调整率SU≤1%，当负载电流由1A减小到0.01A时，负载调整率SL≤1%.开关S接 2时漏电保护装置接入电路，漏电电流≥30mA时触发漏电保护装置动作切断输出电源，漏电解除后按下复位开关K电路方正常工作.

图1 系统组成

2 宽范围低压差稳压源设计

2.1 主稳压电路设计

串联稳压电路拓扑结构如图 2（a）所示，由电路有［6］

通过动态调整 USD使 VO输出稳定，分析 VO稳定原理有［7］

VN为参考电压，k为分压电阻系数，由（3）式知设定 VN、k即可改变输出电压 VO值，与输入电压 Vi无关，设计电路如图 2（b）所示.图 2（b）电路设计有 2个特点：（1）使用 PMOS场效应管（Q1）作为电源调整管，（2）使用集成运放（U1）实现比较、反馈调节输出电压.因 P沟道场效应管源极

图2 低压差直流稳压电路

（S）直接接输入电压 Vi，因此有

当（4）式满足|VGS|＜|VGS（th）|时，PMOS管截止输出无电压.正常工作时 VG将自适应跟随Vi变化而变化以使|VGS|＞|VGS（th）|，保证输出电压时刻稳定在（3）式设定值.

U1运放为误差放大及驱动器件，运放 VN为参考设置电压，VP为稳压电源输出采样电压. VP、VN电压在运放 U1中相比较，比较放大后误差电压控制调整管 Q1.当 VN、k固定，输入电压或负载变化时，输出电压稳定不变.考虑输入电压范围宽 （5.5V～25V），使用 OPA2277低电压轨-轨高精度运放［4］，其可工作于 4V～40V的单电源，并将 OPA2277供电引脚与PMOS管源极（S）并联.

2.2 恒流-恒压参考源设计

由（3）式可知，输出电压 VO随 VN呈 k倍变化，确定一个极稳定的 VN是保证 VO获得足够精确度的前提.在宽输入电压范围内，使用电阻串接稳压二极管的方式来获得 VN电压难以满足要求.使用恒压-恒流源则可以在宽输入电压范围内获得及其稳定的VN参考电压输出.恒流源输出电流恒定，动态电阻宽，输出电流与输入电压无关，如图 2（b）中 Q2、Q3电路所示［8］，分析其恒流原理，有

当三极管放大器倍数 β足够大时有

VQbe为三极管 b-e管压降，其值为 0.6～0.7V，因为 VQ2be、R4不变，电流 IC3恒定不变.U2（TL431）为高精度集成稳压芯片，将调整端（1脚）与阴极（3脚）并联后将可作为 2.5V高精度稳压源，串入 Q2、Q3恒流源电路，当输入电压在 5.5～25V变化时，Q2、Q3均能为 TL431提供恒定电流，使 VN稳定.

3 直流漏电保护电路设计

3.1 直流漏电检测电路

根据直流差流漏电流的检测原理，通过电流传感器检测出支路正、负导线流入与流出电流的差值，从而判断该支路负载的绝缘情况，在检测到漏电电流大于 30mA时立即切断负载电压输出.直流差流漏电流检测电路设计思路如图 3所示［9］.图 3电路中 i1、i2分别为负载 RL流入、流出电流，并且 i1=i2.发生漏电时如同在负载与电源地端并联了等效电阻 Rd并对负载流入电流 i1分流，因此有 i1-i3=i2，i1≠i2.通过电路检测出电流 i1、i2并进行求差后判断结果是否大于 30mA即可判定是否发生漏电.图3中 R01、R02为检流电阻，将 i1、i2电流变为 UR01、UR02电压信号，将电流差检测变为电压差检测.由于 R01、R02为低阻值检流电阻，因此检测到的 UR01、UR02电压信号非常微弱，需进行高增益放大，此外由于UR01为负载上端电压， 需使用差分法测量［10］. INA138为电流检测与

放大的专用芯片，单5V供电，差分输入，单端输出，适合用于图 3中 UR01、UR02测量，如图4所示.被测电流流经 R0产生压降，在 INA138内部放大后驱动三极管集电极产生电流，通过外接电阻RS将电流转换成电压并从 INA138第1脚输出，电流输出函数为

图3 直流差流检测原理

图4 IAN138原理

gm为INA138跨导，为200μA/V，INA138

输入电压（V+-V-）等于 IL×R0，输出电压 Vo等于 IO×RS，其完整电压传输函数为

选择 RS可以设定 INA138增益，当 RS取500K、R0取 0.01时 VO=IL×0.01×100（V），即 VO为 1V时对应的负载电流为 1A.使用两片IAN138分别测量 i1、i2，其输出电压 U1、U2相减，若差值＜0.03V可认为无漏电情况发生，若差值≥0.03V则说明产生了漏电，应立即触发漏电保护电路动作.

3.2 漏电保护驱动

漏电保护电路应具有自锁装置，避免漏电未解除时强制合闸.只有漏电解除并手动按下复位开关后方可以合上电源，负载重新上电工作.根据单向可控硅的自锁特性设计保护驱动电路如图 5所示.图 5中正常情况下 C端输出低电平，继电器常闭触点吸合，

图5 漏电保护驱动电路

接通负载电源.当有漏电时C端为高电平，Q4、Q5导通，触发单向可控硅SCR导通，继电器JK1吸合常闭触点断开并切断负载电源.此时即使漏电状态解除 C端输出的低电平亦无法使SCR截止，继电器无法释放.SCR截止最易实现的方法是令其阳极电流为零［11］，按下图 5常闭开关K即可立即关断SCR，继电器释放，负载重新得电工作.

4 仿真与测试

4.1 电源及漏电保护电路仿真设计

在 Proteus7.10构建低压差直流稳压及漏电仿真电路如图 6所示［12］.开关 SW1切换到带漏电保护的电路，开关SW2串联电阻 R15模拟漏电负载，闭合SW2时R15接入电路模拟漏电发生.在50mA～1250mA负载下的漏电仿真测试结果如表 2所示，U1-U2差值均≥0.03V，说明漏电检测电路能可靠检测出漏电状态.当漏电时KL闭合，SCR导通继电器吸合，负载断电，当漏电解除后（断开KL）按下K复位SCR，继电器释放.

表2 漏电仿真测试结果

4.2 电路测试

以图6电路为基础设计并制作电路实物，使用ATMEGA16做主控制器，用其内置10bitA/ D转换器检测电源电路输出电压、电流，并计算输出功率，所有数据及信息显示在 1602液晶显示器.使用 Agilent34110A6 1/2半数字万用表按公式（5）、（6）所定义的电源调整率 SU、负载调整率 SL对电路进行测试［12］.公式（5）中 UO1为直流输入电压为 7V时的输出电压，UO2为直流输入电压为 25V时的源输出电压.公式（6）中 UO1为负载电阻为 500Ω 时的输出电压，UO2是负载电阻为 5Ω时的直流稳压电源输出电压.测试结果如表 3～5所示.

图6 Proteus仿真电路

表3为空载测量结果，当输入5.5V电压时，输出电压为5V，若输入电压低于5V则输出几乎为 0，故最低输入电压为 5.5V，最小压差为0.5V.分析表 4可知，当负载为 5Ω、输入电压为 5V、25V时，电源调整率为0.4%.表5中，在输入电压5.5V～25V范围内取6个电压点，逐一测试其在500Ω、5Ω负载下的负载调整率，统计平均负载调整率为0.99%.将160Ω的电阻模拟漏电过程，能正常触发漏电保护电路并立即切断输出，漏电解除后按下复位开关K后电路恢复正常.

表3 输入为5～7V时输出结果

表4 负载为5Ω的电源调整率SU测试结果

表5 负载调整率SL测试结果

5 结语

本文设计的低压差直流稳压电路输入电压范围宽、压差低、精度高，额定输出电压 5V负载为 5Ω时测得电源调整率为0.4%，输入电压为5.5V～25V负载分别为 5Ω、500Ω所测得平均负载调整率为 0.98%，最小压输入电压为5.5V，最低压差为0.5V，设计的模拟漏电保护装置工作可靠，漏电流大于30mA即触发保护电路动作，最大输入电压可达40V.设计过程使用Proteus仿真调试手段，提高了设计效率，电源稍加改进可用于船用设备等供电电源设计.

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［责任编辑：刘向红］

Design of DC Power supply of Low-Dropout and Wide Range with Leakage Protection Device

ZHU Haiyang
(Department of Electrical Engineering,Guangdong Songshan Polytechnic College, Shaoguan Guangdong 512126,China)

Based on traditional analog linear power input range,input-output voltage difference and other shortcomings,a discharge circuit topology of the power adjustment based PMOS transistors and high-precision single-supply operation was proposed.By using high-precision reference voltage source consisting of a constant current source,5V regulated output can be obtained,which input voltage of 5.5V～25V.In order to achieve a Dc leakage detection,the current value difference between the applied load input and output termnal was determined by microporcessor.When the load was 5Ω,the porver adjustment rate was 0.4%,and the adjustment rate was 0.98%with 5.5V～25V input voltage.

DC Power;constant current source;low dropout;leakage protection;power regulation rate

TM 44

A

1672-402X（2016）08-0031-06

2015-05-15

2015年广东省大学生科技创新培育专项资金资助项目，“蓝牙家居智能开关”（项目主持人：余林峰，项目编号：pdjh2015b0713）

朱海洋（1978-），男，内蒙古赤峰人，硕士，广东松山职业技术学院副教授，研究方向：计算机控制技术及其应用.