CMOS IRF4905 直流稳压电源及漏电保护装置(261组).docx

直流稳压电源及漏电保护装置摘要：本设计以 International Rectifier 公司的第五代 P 沟道增强绝缘 栅型功率场效应管 IRF4905 为作为调整管，使用精密电阻分压采样与精密稳压 源进行比较放大构成反馈电路，构建了线性直流稳压电源，满足低压差和较高 压差的 DC-DC 变换；同时通过单片机对电流的比较和运算，以及三极管对稳压 电源的启动开关，实现数控漏电保护功能整个系统具有输出电压误差小，电 压调整率低，电流误差小，微弱电流漏电保护的特点，并设计了人性化的操作 界面和的功能，具备有产品的特性关键词：DC-DC；场效应管；精密稳压源；反馈电路；漏电保护; 电压调整率目录一、系统方案论证和比较 1（一）方案一 ：三端稳压集成电路 1（二）方案二：三极管串联稳压电路 1（三）方案三：场效应管稳压电路 2（四）方案比较和选择 3二、系统具体设计与实现 3（一）系统详细结构框图 3（二）主要电路设计与分析计算 4（三）软件控制 8（四）创新 8（五）制作工艺 9三、测试方案与结果 9（一）基础部分 9（二）发挥部分 11附录1：稳压电源和漏电保护电路 12附录 2：单片机最小系统 13附录 3：参考书目 14、系统方案论证和比较根据大学课程所学和查阅资料，不能选择开关类型的集成电源芯片，也不能利用工作在 开关状态的三极管稳压电路，我们将焦点主要集中在直流稳压电路的低电压线性实现和电流 的检测方法这两个关键点上，一步一步的分析和和搭建电路验证，从下面的三个方案中找到 了满足任务要求的方案。

一）方案一 ：三端稳压集成电路由于要求是输出电压达到5V,额定输出电流为1A,我们首先想到了用三端稳压集成电 路 7805 作为稳压电源核心，该系统结构如图 1 所示该方案系统结构如图1所示,采用单片机作为漏电保护控制器7805 |DC5.5V-25V1输波片心漏电保护刍一图 1 方案一：三端稳压集成电路该方案中,选用三端稳压集成芯片7805作为稳压电源的核心,单片机作为漏电保护的控 制器,具备电路简洁的特点7805内部的三极管（调整管）的呈现线性放大状态,属于降压 型DC-DC,输出电压为5V，有的厂家能够实现1A以上的输出电流；但在实际的应用当中， 一方面要求输入和输出电压相差不能太大,特别是输入电压超过 12V 的时候,多数的 7805 芯片发热量过大,转换效率降低,容易击穿损坏；另外一方面7805 是线性稳压器件,正常情 况下有0.7V以及以上的管压压降，有的时候甚至1.2V左右，按照系统要求，在测试低端输 入5.5V的直流时候，要求输出能够恒定在5V左右，那么5.5V减去7805芯片的压降，显然 不能实现5V的输出二）方案二：三极管串联稳压电路根据理论所学，在该方案中我们考虑用用分立元件来构建串联型稳压电路，分立元件首 选考虑三极管，该系统结构如图2所示。

图 2 方案二：三极管分立元件该方案为三极管串联型稳压电路，调整管选用三极管，工作性放大状态，利用电阻 分压网络对输出进行采样，然后通过三极管反馈电路对调整管输出进行微调三极管分为硅 管和锗管，硅管的压降一般在0.6到0.7V之间，大功率的可以达到IV的压降，显然在5.5V 的输入下，稳压输出小于5V，不能达到要求；而锗管的压降一般在0.2到0.3之间，满足压 降的要求，但是锗管少见，高频特性比较差，低频特性存在方向漏电流比较大的缺点，常用 于检波电路在该方案中，电流检测方法采用电阻法，利用较高精度的电阻进行电流采样，为了减小 电阻本身所带来的损耗，要求电阻有较好的温漂特性，不适合与电压较高和电流较高的场合三）方案三：场效应管稳压电路选择绝缘栅型场效应管作为调整管，构建稳压电路，该系统如图3所示单片机直流输入MOS管 / （调整管）比较运算 放大电路样路采电基准电压源电压电流检测 检测集成电路图 3 方案三：场效应管稳压电路该方案中选用 MOS 管作为调整管， MOS 管压降可以到较小的水平，满足低端电压 5.5V转换成为5V的要求，利用高精度的采样电阻对MOS管稳压输出进行采样，然后和高精 度的基准电压源通过集成的运算放大电路进行比较运算放大，进而调整 MOS 管的输出。

选 用集成的电流检测电路，对加漏电保护前后的电流进行监测，进行A/D转换，送入单片机进 行比较和运算，判断是否发生漏电现象，通过控制MOS管的工作状态，实现漏电保护该方案由于是线性稳压，同样存在转换效率和功耗方面的问题四）方案比较和选择经过验证和比较，要达到低电压转换、线性稳压、准确的电流测量等方面的要求，第一 和第二种方案不能满足，第三种方案能够满足要求，但是同所有的线性稳压电路一样，存在 着转换效率、功耗、散热方面的问题综上所述，我们选择方案三，同时利用单片机的 I/O 口，设计了 4*4的行列式键盘和利用了 128*64的LCD提供美观的显示界面二、系统具体设计与实现（一）系统详细结构框图经过上面的分析和论证，我们选择了方案三，下面将方案三进一步细化，将一些单元电 路加在其中，得到设计方案的详细结构框图，如图4所示图 4 设计详细结构框图在这个方案中，采用自带 A/D 转换的单片机对检测的电流和电压模数转换，将切换 前后的电压和电流进行对比和预算，并将电压电流值在LCD上进行显示，可以通过设定漏电 电流，检测漏电保护装置的控制，通过控制 IRF4905 的通断来开启和切断稳压电源。

同时， 利用 IRF4905 的输出电流为单片机系统提供电流整体电路图见附件 1单片机最小系统见附件 2二）主要电路设计与分析计算1.稳压电源分析计算①稳压过程定性计算分析稳压电路由MOS调整管IRF4905、R3和R4构成的分压采样反馈电路、TL431构成 的基准电压源、LM318构成的误差放大器、以及Q9014构成的驱动电路等几个部分组成扛：-厂：j. . -j_. j…厂：j - -j-:rn■I ~mGND丨丨丨丨rr~nFF I I 严. TTI~~TTT.D5T■■DI.T2 DthLJ自阻:网络，取得采样电压VF （理想情况下应该为2.5V）, TL431基准电压为VR （非常接近2.5V），误差放大器反相端输入VF，同相端输入VR,将VR与VF比较并将误差放大后积分，用放大积分后的信号驱动并控制Q9014的工作状 态，形成负反馈通道，进而控制IRF4905的工作状态，从而达到维持输出电压VO不变的目的, 为了提高稳压电路的性能，误差放大器应具有较高的增益和温度稳定性控制过程：相关计算：VF二 VOR4R3+R4②MOS管功耗和散热片选择MOS管在带负载下的功耗约为P=ViIi-WIo,在输入为25V,电流为1A的情况下， MOS的功耗约为20W左右，所以必须选择支持20W左右的散热片，如果考虑可靠性，则必 须加风扇。

③采样分压电阻温飘对稳压的影响 从前面的计算和分析过程可以知道，分压电阻对输出有较大的影响，所以选择温漂较 小的电阻来作为分压电路注意这里电路与实际电路有没有区别在图上要标注 VF，2. 漏电检测电路分析计算漏电的电流检测采用精度较高的集成芯片MAX472，内置精密电阻，能将电流直接转化为 电压输出，通过继电器来控制切换，如图 6图 6 漏电检测电路①漏电检测过程分析 当继电器到不带漏电保护支路的输出的时候，通过传感电阻将电流从引入到 MAX472 内 部，同U哦OUT端输出期望的电压，实现从电流到电压的转换，然后把电压送到单片机内部, 通过自带的 10 位 A/D 转换成为数字信号同理，当继电器切换到带漏电保护支路输出的时候，在 J2 上串接毫伏表表头，调节电阻，， 通过 MAX472 典型电路实现电流到电压的转换，并送到单片机内部进行 A/D 转换通过单片机 比较有无 30ml 的漏电电流②MAX472的引脚和外围元件MAX472 的引脚如图 7 所示引MAX471脚MAX斗72名称功 欝11SHDN关厨SSL IE常运用时连接到地*当此崛按高电平时，电擄电激小于印A2,3RS*内部电波检蘭电限电池（或电源）端。

仅拥启与SIGN输出有关的SE动方 向封装时已将2和3逹在了一起2N.C空胸3RG1增益电阻均通过增益设巻电阻连接到电潦检测电阻的毘汕端44GND地或电池负端dSIGN樂削极开路逻揖第出端对于MAX471来说,低电平表示世潦从RS-流向咫 +，对于MAX472,低电平表示 心拄为员当SHDM为离电平时，SIGN为高 阻抗，如果不需要SIGN,可将其悬空6»7RS-内部电流检电阻的负載端“ 世表示与SIGN输出有关的瓯动方向，封装时已将6和丁连在一起6RG2増益电阻闻L通道增螯设置电阻连接至电谨检测电阻负栽嘲7VceMAX472电嫌输人端连接至檢谪电ffi^RGl的连接点88OUT电济输出，它正岀于擁过R™被鬧电踣的啊度（&MAX471中，就引御到地之 阖应接一牛2如电阻*悔•安培械测电诫将产生大小等于1¥的电压图 7: MAX 的引脚分布图MAX472 是电流转化为电压的器件，其工作原理如图 8 所示COMP电源或 -/tc IRC2MAX 4727 —VwS-OLT5_Sl（；N图 8：MAX472 工作原理按照芯片设计和电路分析:Vout=(Isense XRsense XRout)/RG,其中Vout为期望输出电压，Isense为传感电阻的电流，Rsense为传感电阻，Rout为输 出上拉电阻。

其典型配置如图 9FULL-SCALE LOAD CURREhTT, Isense (A)CURREMT- SENSE RESISTOR, Rsense 冋GAIN-SETTING RESISTORS, RG1 二 RG2OUTPUT RESISTOR, Rout 冋FULL-SCALE OUTPUT VOLTAGE, VauT(V)SCALE FACTOR, VOUT/ISENSE MA)0.1500200102.525150200102.52.551010052.50.610550220.2 |图 9：MAX472 外围元件典型配置 ③传感电阻和电压输出计算电流传感电阻和电压计算按照下面的公式进行：Vout=(IsenseXRsenseXRout)/RG，3.关断保护分析计算在关断保护电路中选择三极管通断来间接控制MOS管工作状态的方式，减小MOS管的非 工作状态功耗，而不用继电器，继电器在通断的时候，如果后面接了感性负载，容易产生火 花，容易烧坏触点，如图 10 所示当漏电支路漏电超过 30mA 时候，单片机输出高电平，加载在 Q9013 的基极，进而导致 Q9014饱和截止，IRF4905截止，稳压电源停止工作。

同理，复位采用单片机控制复位方式，给Q9013 —个低电平，通过Q9014导致。