【正文】 1 一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求 基本要求 設(shè)計(jì)一臺(tái)額定電壓為 5V，額定輸出電流為 1A 的直流穩(wěn)壓電源。 （ 1）轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) S 接 1 端， RL阻值固定為 5Ω。當(dāng)直流輸入電壓在 7~25V變化時(shí)，要求輸出電壓為 5177。，電壓調(diào)整率 SU≤1%。 （ 2）連接方式不變， RL 阻值固定為 5Ω。當(dāng)直流輸入電壓在 ~7V變化時(shí)，要求輸出電壓為 5177。 （ 3）連接方式不變，直流輸入電壓固定在 7V，當(dāng)直流穩(wěn)壓電源輸出電流由 1A減小到 時(shí)，要求負(fù)載調(diào)整率 SL≤1%。 （ 4）制作一個(gè)功率測(cè)量與顯示電路， 實(shí)時(shí)顯示穩(wěn)壓電源的輸出功率。 發(fā)揮部分 設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)作電流為 30mA 的漏電保護(hù)裝置（使用基本要求部分制作的直流穩(wěn)壓電源供電，不得使用其他電源）。 （ 1）轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) S 接 2 端，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（見(jiàn)圖 1）。調(diào)節(jié) R，將漏電動(dòng)作電流設(shè)定為 30mA。將漏電保護(hù)裝置動(dòng)作后， RL 兩端電壓為 0V 并保持自鎖。排除漏電故障后，按下 K 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 ≥。 （ 2）要求漏電保護(hù)裝置動(dòng)作電流誤差的絕對(duì)值 ≤5%。 （ 3）盡量減少漏電保護(hù)裝 置的接入功耗。 （ 4）其他。 總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)框圖如下圖所示。其中主控部分由 STC89C58RD 及相關(guān)電路組成，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心。電源部分由及相關(guān)電路組成，為整個(gè)系統(tǒng)正常穩(wěn)定地工作提供穩(wěn)定的電壓。電壓檢測(cè)和引腳判定有康銅絲和 ADC0804 組成，完成 AD 采樣和芯片引腳個(gè)數(shù)的判定。待測(cè)芯片部分的所有管腳都受 MCU 的控制， MCU 能夠讀取它的所有信息。顯示部分由 1602 液晶組成，方便顯示相關(guān)信息。 2 圖 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架 總體 電路圖設(shè)計(jì) 7V~2 5V電壓B u c k B o o s t電路拓補(bǔ)5V額定輸出采集功率與顯示漏電保護(hù)電路報(bào)警系統(tǒng)鍵盤(pán)控制 圖 2 電路框圖 當(dāng)直流輸入電壓在 7~25V變化時(shí)，通過(guò)一個(gè) BuckBoost 電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)讓其穩(wěn)定輸出 5V的電壓，再使用康銅絲鏈接一個(gè)放大電路，通過(guò) ADC0804 采樣獲得是是實(shí)時(shí)的電流、電壓值并在 1602 上顯示，當(dāng)檢測(cè)電路電流超過(guò) 30mA 時(shí)，漏電保護(hù)電路啟動(dòng)，斷開(kāi)電路并進(jìn)行報(bào)警。最后可以通過(guò)鍵盤(pán)控制電路復(fù)位。 方案論證與比較 主控芯片單片機(jī)（ MCU）的設(shè)計(jì)方案論證與選擇 方案一：采用 Atmel 公司的 AT89S52。 AT89S52 單片機(jī)是一種低功耗、高性能 3 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。此芯片價(jià)格比較便宜，但抗干擾能力差。 方案二：采用 STC89C58RD+。它也是基于 80C51 內(nèi)核，管腳與 89S52 完全兼容。不需要外圍電路，硬件和軟件的開(kāi)支比較小，更重要的是他的抗干擾能力比較強(qiáng)，但它的價(jià)格要比 AT89S52 要高。 綜合比較后，選擇方案二。 穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 方案一：用固定式三端集成穩(wěn)壓電路 7805 設(shè)計(jì)制作連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓的實(shí)際電路中兩個(gè)電阻主要用來(lái)調(diào)整輸出電 壓最高輸出電壓受穩(wěn)壓器最大輸入電壓及最小輸入輸出壓差的限制，該固定式三端集成穩(wěn)壓集成電路 7805 最大輸入電壓為35V，輸入輸出差要保持 2V 以上，因此該電路中由于穩(wěn)壓器的直流輸入電壓為7~25V，所以該電路的輸出最大值為 5~23V。優(yōu)點(diǎn)：在穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓范圍內(nèi)，其穩(wěn)壓精度可達(dá) 177。缺點(diǎn)：在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器 （當(dāng)然小功率的條件下不用）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過(guò)高時(shí)，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。 方案二：將 Buck 與 Boost 兩種形式的變換器結(jié)合起來(lái)，產(chǎn)生一種新的變換器，叫做 BUCKBOOST 變換器，也叫升降壓式變換器。 既然我們不能直接把 7~25V的輸入電壓變?yōu)楣潭ǖ?5V輸出，那我們就先把 7~25V降壓，然后再升壓，從而達(dá)到題目要求的固定輸出 5V、 1A的要求。優(yōu)點(diǎn)：效率高、電路簡(jiǎn)單、電壓變比可由零到 無(wú)窮大 ，即可升壓又可降壓。 缺點(diǎn)：開(kāi)關(guān) 晶體管 發(fā)射極不接地，使 驅(qū)動(dòng)電路 復(fù)雜化、成本高。 方案三： LDO 基本工作原理是：系統(tǒng)加電，如果使能腳處于高電平時(shí)，電路開(kāi)始啟動(dòng)，恒流 源電路給整個(gè)電路提供偏置，基準(zhǔn)源電壓快速建立，輸出隨著輸入不斷上升，當(dāng)輸出即將達(dá)到規(guī)定值時(shí)，由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電壓也接近于基準(zhǔn)電壓值，此時(shí)誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差小信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出，從而形成負(fù)反饋，保證了輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值上，同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化，這個(gè)閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變，即： Vout=(R1+R2)／ R2 Vref。優(yōu)點(diǎn)：壓差小、靜態(tài)電流小、外接元件小。缺點(diǎn)：效率不高。 方案四：先將電路的電壓由 ~25V通過(guò)降壓變?yōu)?4V,再通過(guò)升 壓變?yōu)?，最后再通過(guò)一個(gè) LDO 直流穩(wěn)壓電路，具有較低的靜態(tài)電流和壓差，主要用于壓差較小的場(chǎng)合，可固定輸出電壓 5V。如果輸入電壓和輸出電壓不是很接近， LDO的輸入電流基本上是等于輸出電流的，如果壓降太大，耗在 LDO 上能量太大，效率不高。由于此電路的低壓差特性和升降壓電路的高效性。所以此電路具有效率高、壓差小、靜態(tài)電流小、外接元件小的優(yōu)勢(shì)。這種設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源的多路輸出設(shè)計(jì) ,減小了負(fù)載調(diào)整率 ,提高了電源抑制比 ,并加強(qiáng)了開(kāi)關(guān)電源的過(guò)流保護(hù)功能。 綜合比較之后，選擇方案四。 4 漏電檢測(cè)電路 的設(shè)計(jì) 方案一：三相交流電電壓電流漏電檢測(cè)電路。電流漏電檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)三相交流電電壓、電流和漏電的檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和漏電的保護(hù)。電壓檢測(cè)由三相交流變壓器、整流濾波電路和分壓電路組成。電流檢測(cè)由三相交流互感器、整流濾波電路和分壓電路組成。其中漏電電流互感器把電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，分壓電路完成電壓調(diào)整。此電路質(zhì)量可靠，抗干擾性強(qiáng)。 方案二： 利用歐姆定律，當(dāng)電流通過(guò)康銅絲時(shí)，就會(huì)有電壓降，電流越大，壓降就 越大。選用 ，讓 ADC0804 能測(cè)得康銅絲兩端的電壓差。由于電壓差實(shí)在太小，不 利于檢測(cè)，再用 INA128 對(duì)采集到的電壓差值放大 1000倍后將數(shù)據(jù)傳給 A/D。價(jià)格便宜、對(duì)電路影響可忽略不計(jì)、其阻值低、精度高、溫度系數(shù) 低、具有無(wú)電感、高 過(guò)載能力 。 方案三：康錳銅電阻絲是電流測(cè)量中很常用取樣電阻，其特點(diǎn)在于溫度漂移量非常小。經(jīng)過(guò)測(cè)試，在 1Ω 的康錳銅電阻絲上通過(guò)約 2A 電流，由于產(chǎn)生的熱量引起的升溫，只會(huì)引起 ，對(duì)電流的穩(wěn)定起了很重要的作用。 綜合考慮后，選擇方案二。 關(guān)斷保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 方案一：漏電保護(hù)電路主要包括：檢測(cè)元件（零序電流互感器）、中間環(huán)節(jié)（放大器、比較器、脫扣器）、執(zhí)行元件（主開(kāi)關(guān)）等幾個(gè)部分。沒(méi)有發(fā)生漏電或觸電 的情況下，通過(guò)零序電流互感器一次測(cè)的電流相量和等于零。 當(dāng)發(fā)生漏電或者有人觸電時(shí)，通過(guò)零序電流互感器一次測(cè)各相電流相量和不再等于零，產(chǎn)生了漏電電流。二次側(cè)產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此漏電信號(hào)經(jīng)過(guò)中間環(huán)節(jié)處理和比較，當(dāng)達(dá)到預(yù)定值時(shí)，使主開(kāi)關(guān)分勵(lì)脫扣器線圈通電，驅(qū)動(dòng)主開(kāi)關(guān)自動(dòng)跳閘，切斷故障點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。 方案二：通過(guò)單片機(jī) I/O 口控制，驅(qū)動(dòng)電磁繼電器。當(dāng)輸入高電平時(shí)，晶體管飽和導(dǎo)通，繼電器線圈通電，觸點(diǎn)吸合。當(dāng)輸入低電平時(shí)，晶體管截止，繼電器線圈斷電，觸點(diǎn)斷開(kāi)。系自動(dòng)斷開(kāi)電路，并且報(bào)警并顯示，在實(shí)際中很實(shí)用。 方案 三： IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）兼有場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小和雙極型晶體管電壓、電流容量大及管壓降低的特點(diǎn)。當(dāng)出現(xiàn)短路過(guò)流時(shí)，必須采取有效的保護(hù)措施。為了實(shí)現(xiàn) IGBT 的短路保護(hù)，則必須進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)。適用 IGBT 過(guò)流檢測(cè)的方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測(cè) IGBT 的電流Ic，然后與設(shè)定的閾值比較，用比較器的輸出去控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)斷；或者采用間接電壓法，檢測(cè)過(guò)流時(shí) IGBT 的電壓降 Vce，因?yàn)楣軌航岛卸搪冯娏餍畔?，過(guò)流時(shí) Vce 增大，且基本上為線性關(guān)系，檢測(cè)過(guò)流時(shí)的 Vce 并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，比 較器的輸出控制驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷。 考慮到可行性，綜合比較之后：選擇方案二。 5 二、主要單元電路的設(shè)計(jì) 穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì) 當(dāng)輸入電壓在 7~25V變化時(shí)，通過(guò)降壓，然后再將降壓后的電壓通過(guò)升壓，從而達(dá)到實(shí)際所需的額定輸出電壓 ，然后通過(guò)低壓差穩(wěn)壓路固定輸出一個(gè)5V的值。公式：開(kāi) 始ADC0804采樣1602顯 示報(bào) 警結(jié) 束排 除 故 障保 護(hù) 電 路初 始 化電 流 檢 測(cè)IF超 過(guò) 設(shè) 定 值正 常 工 作復(fù) 位。 1 2453L M 2 5 9 6+ C? + C?C o u tL1D1R1 R2CO N / O F F 圖 3 降壓電路 1 2453U1L M 25 77T A D J ( 5 )C10. 1uC30. 33uC50. 1uVi+ C247 0u+ C468 0uFR247 0R3R E S 1D1Z E N E R 1L150 0m HR110 k 圖 4 升壓電路 Q3M O S F E T P231114R9R 1 0R 1 2R 1 1D2D I O D E S C H O T T K YR8 圖 5 后接直流穩(wěn)壓電