基于STM32漏電保護的5 V直流線性穩壓源的設計

倪 瑛，顧金國，駱 靜

（1.南京航空航天大學 電子信息工程學院，江蘇 南京　210016；2.南京工業職業技術學院 能源與電氣工程學院，江蘇 南京210023；3.南京沃澤電氣有限公司 江蘇 南京　210008）

基于STM32漏電保護的5 V直流線性穩壓源的設計

倪 瑛1，2，顧金國3，駱 靜2

（1.南京航空航天大學 電子信息工程學院，江蘇 南京210016；2.南京工業職業技術學院 能源與電氣工程學院，江蘇 南京210023；3.南京沃澤電氣有限公司 江蘇 南京210008）

設計了5 V/1 A 4‰精度低壓差直流線性穩壓源，能夠實現5.5～25 V寬電壓輸入。采用德州儀器 （TI）TL431B精度4‰并聯電壓基準，作為電壓閉環反饋控制主IC，從而確保整個電路的輸出電壓5‰精度。其中意法半導體的Cortex-M3內核STM32 AM7采用外部高精度基準源，通過內置12 bit AD實時的對工作電流、工作電壓、漏電流、輸出功率、漏電流功耗采樣，處理完有效數據在顯示器件上顯示，同時控制相關部件對電源進行軟、硬件的短路和漏電保護。經過對實際電路的測試，能夠實現最低輸入電壓5.3 V，最高輸入電壓45 V 0.2%的輸出精度，漏電流采樣精度的絕對值≤5%。

直流；線性穩壓源；漏電保護；低壓差；高精度

電源是為電子設備提供電能的設備，電源電路中一般包含多個單元電路和系統電路，在諸多的電源中，使用的最為廣泛的是直流電源［1］。有些用電設備對電源的要求較高，要求精度很高，在模擬電路中如有：AD、DA、小信號調理放大、甚至一些軍工產品微波信號處理等等均對電源提出了很高的要求。因此設計一個穩定的、高精度、大容量的線性電源非常重要。

為了更好地做好線性電源的設計［2］工作，首先需要了解各類電源的特性。區別線性電源和開關電源電路［3-4］的關鍵是看電路中晶體管的工作狀態，若是工作在放大狀態，且晶體管起到一個反饋調節最用，則是線性電源；若是工作在開關狀態，晶體管的目的是為了產生高頻信號，則是開關電源。因此，線性電源的輸出非常穩定，紋波極小，這是優點。缺點是工頻變壓器和大電容體積巨大，不能集成，且調整管工作在放大狀態，耗能和發熱巨大，導致電源效率不高且整體發燙。此外，調整管發熱大，需要大的散熱片，也是一大缺點。從而可以得出MIC29302A電壓輸出精度為2%、LM7805電壓輸出精度為4%為LDO線性電源，而LM2576、LM2596電壓輸出精度為4%為DC to DC開關電源，上述可見要做到精度高于1%的線性穩壓電源是件有價值和技術難度事情。本文設計采用價格低廉的TL431BIDBZR 5‰精度并聯電壓基準源、調整管IRF540低導通內阻RDS（ON）≤77 mW，高耐壓100 V N溝道MOS管、千分之一精度分壓取樣電阻，保證了電源輸出電壓精度5‰（≤0.3 V）的極低壓差。

1　設計說明

整個電源包括以下幾個部分：閉環穩壓及繼電器保護電路、系統電源管理部分、STM32 ARM7電流采集、控制和顯示電路。

1.1閉環穩壓及繼電器保護電路

如圖1所示。在本電路中主要由IRF540、ICL7660、2SC3518及TL4318BIDBZR組成。IRF540是N溝道MOS管，主要作用是將輸入為5.5～25V的直流電壓轉換至5V電壓的輸出，同時為了保證輸出的精度，利用TL4318BIDBZR提供一個電壓基準，通過兩個1‰精密電阻R1和R2將監測點2的電壓控制在5 V精度為4‰。TQ2SA-5 V為松下10pin的5 V精密繼電器，開始時確保5 V的電壓接到負載RL中，主要是當漏電電流超過閾值時，使得繼電器動作，切斷負載RL兩端的電壓。在電路中還有兩個電壓測試點，位于精密電阻1的兩端，在這里采用精密電阻是為了確保證輸出電壓的精度。有兩路來源于單片機的控制信號，單片機控制信號1用于控制2SC3518，主要作用在于電源短路保護。當電源出現短路時，使得IRF540截止，從而無輸出。而單片機控制信號2，也是通過控制2SC3518，使得當漏電電流超出閾值時，使繼電器動作無輸出。在電路中有一個電源電壓采集點位于電阻R3=15 kΩ和 R4=10 kΩ中間，因為在設計中采用的STM32 AM7，而此 ARM的工作電壓為 3.3 V，外部基準電壓為2.495 V，所以+5V的輸出不能直接用單片機采集，而是采用電阻分壓的形式，只要在單片機程序中加以處理就可以將采集的電源電壓值通過顯示方式實時地顯示出來。除此之外，在本電路中還有ICL7660，ICL7660是Maxim公司生產的小功率極性反轉電源轉換器，作用是將+5 V的電壓反轉成-5 V輸出，用于后面差分放大電路的工作電壓。

圖1　閉環穩壓及繼電器保護電路

1.2差分放大電路供電產生電路

外部輸入5.5～25 V通過降壓型開關穩壓器LM2576轉換成3.3 V/3 A的主電源，該穩定電壓提供給CPU、顯示、后級電源管理輸入；保證系統在寬電壓范圍條件下可靠運行。MC34063目的是為了得到一個比較高的電壓+15 V提供給MOSFET驅動、差分放大器，因為MC34063自身是一個開關型的DC-DC的電源IC輸出紋波比較大，不適合直接提供電壓給AD620差分放大器，所以在中間加入LM1117ADJ LDO的三端可調線性穩壓IC將+15 V轉換為+10 V電壓，該電壓保證了不超過ICL7660最高電壓，又能給MOSFET提供一個穩定的驅動電壓。ICL7660輸出的-10 V與LM1117ADJ輸出的+10V同時提供給雙電源工作的差分放大器，這樣保證對本設計線性電源輸出電流采樣精密電阻1進行上端采樣。

圖2　系統電源管理

1.3單片機信號采集、控制和顯示電路

在本設計中需要實時監測電源電壓和漏電電流，當電源電壓超過某一閾值時，則使得IRF540截止無輸出，從而實現電源的短路保護；當漏電電流超過30 mA時，啟動漏電電流保護，使得繼電器動作。除此之外，通過顯示方式實時顯示電源電壓、電源電流以及漏電電流的大小。在此電路中采用STM32單片機［5-6］，STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核，自身帶有11路AD轉換接口，無須外加ADC轉換芯片，簡化了本電路的設計。但是STM32單片機的工作電壓為3.3 V，所以為了使得信號能夠接入到單片機，所以必須先進行處理，使得信號在3.3 V以下。從電源轉換電路中采集到的兩個監測點信號電壓位于精密電阻1的兩側，通過采集到精密電阻1兩側的電壓，并將這兩個電壓值送入AD620差分電路，并控制電路的放大倍數，將最終輸出的電源電流（即流過精密電阻1）轉換成單片機能夠接收的，并且與電源電流線性關系的輸出電流。漏電電流的采集則是通過采集精密電阻2右側的電壓（左側通過繼電器已經接地），將此值送到AD620差分電路進行處理，轉換成單片機能夠接收的并且與漏電電流線性關系的輸出電流。最后通過顯示方式將采集的電源電壓、電源電流以及漏電電流實時地顯示出來。另外電源短路保護電流大小和漏電電流的閾值可以通過程序設定。

圖3　STM32 ARM7信號采集、控制和顯示電路

通過STM32采集電源電壓、電源電流和漏電流的程序段如下：

ADCConvertedValueLocal［0］=（float）ADCConvertedValue ［0］/4096*3.3；//電源電壓

ADCConvertedValueLocal［1］=（float）ADCConvertedValue ［1］/4096*3.3；//漏電電流

ADCConvertedValueLocal［2］=（float）ADCConvertedValue ［2］/4096*3.3；//電源電流

2　實驗測試

根據以上的設計要求制作了電源實驗板，并且采用液晶顯示，實時顯示電源電壓、電流以及漏電電流大小。對實驗板進行測試，在測試中所接負載為5 Ω時，當輸入電壓在7～25 V時，使用萬用表測量的輸出電壓以及液晶顯示的數據如表1所示。

表1　實驗測試數據1

連接方式不變，設定輸入電壓固定7 V，電流在1～0.01 A時，測出輸出電壓和實測電壓如表2所示。

表2　實驗測試數據2

另外，在測試電源保護和漏電保護時，在程序中設置的短路保護電流為1.3 A，漏電電流保護為30 mA，在實測中可以實現，即使存在誤差的情況下，可以通過程序調整。

3　結論

本論文主要給出了一種帶有漏電保護的高精度的5 V線性穩壓電源的設計，在設計中可以將5.5～25 V的直流電源轉變為5 V 4‰精度的電壓，該輸出電壓精度取決于并聯電壓基準TL431B的精度，這就是該設計的優越性（輸出電源的精度決定于基準精度），目前設計中采用TL431B的精度為4‰，如需要更高精度的線性穩壓電源可通過器件的選擇滿足電源更高精度。經實際電路測試可以得出電源的穩定度小于0.2%，能夠滿足絕大部分用電設備的精度要求。并且通過STM32實現電源短路和漏電保護，并通過液晶顯示實時顯示各參數。另外，在電路設計中需要特別注意電路集成電路的選型，目前市場上有很多仿造的芯片，使用后造成參數不能達到預期的設計要求，除此之外就是電路中器件的選型，參數及大小對于最終電路的設計精度也有很大的影響。

［1］張明德.論穩壓電源的設計與制作［J］.中國電子商務，2012 （21）:219.

［2］宋開軍.智能穩壓電源設計［J］.電工技術，2003（10）:48-49.

［3］李毅.直流穩壓電源的設計與制作［J］.技術在線，2009（9）: 91.

［4］沙占友，王彥朋.開關電源的設計要點［J］.電源技術應用，2012，15（1）:60-64.

［5］周功明.基于AT89S51單片機的數控電源設計 ［J］.綿陽師范學院學報，2012，31（5）:18-23.

［6］宋敬衛.基于STM32的多路電壓采集研究［J］.電子世界，2013 （12）:55-56.

The design of 5V DC linear stabilized voltage source with leakage protection based on STM32

NI Ying1，2，GU Jin-guo3，LUO Jing2
（1.College of Electronic and Information Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Power and Electric Engineering Department，NanJing Institute of Industry Technology，Nanjing 210023，China；3.NanJing WoZe Electric Co.，Ltd，Nanjing 210008，China）

This paper gave the design of 5 V/1 A 4‰precision and low dropout DC linear stabilized voltage source，which can achieve the 5.5～25V wide input voltage.In this design TI TL431B，which can realize 4‰accuracy parallelvoltage reference，was used as voltage close loop feedback to control main IC，to ensure the output voltage 5‰ precision.The STMicroelectronics Cortex-M3 kernel STM32 AM7 using external high precision reference source，sampled working current and voltage，leakage current，output power，leakage power through the built-in 12bit AD converter and displayed the valid parameters on display device.At the same time，STM32 AM7 can control the relevant components to provide short circuit and leakage protection with software and hardware.After the actual circuit testing，this design outputted high precision voltage of 0.2%precision even in the minimum input voltage 5.3 V，and the maximum input voltage 45 V.The absolute value of leakage current was less than 5%.

DC；linear stabilized voltage source；leakage protection；low dropout；high precision

TN7

A

1674－6236（2016）13-0164-03

2015-07-01稿件編號：201507002

2014年度江蘇省智能傳感網工程技術研究開發中心開放基金立項項目（ZK14-02-02）

倪 瑛（1979—），女，江蘇丹徒人，博士研究生，講師。研究方向：電子與通信技術。