CN104092260A - 一种适用于蓄电池的大功率线性稳压电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于蓄电池的大功率线性稳压电源，包括：对电源的输入、输出电压和输出电流进行采集和处理的C8051单片机；将蓄电池输入电压进行线性稳压、提供直流输出、输出短路时切断直流输出并将短路状态上报C8051单片机的线性稳压单元；检测及处理电源的输入、输出电压和输出电流信号、供C8051单片机数字转换的信号检测单元；给C8051单片机和线性稳压电路提供工作电源的辅助电源单元；显示线性稳压电源的输入、输出电压和输出电流，并声光指示电源的运行状态的人机交互界面。本发明的有益之处在于：在发生输出短路时，可以通过自锁短路保护电路关闭电源的输出，避免了有些短路保护电路的频率较高的“打嗝”现象对蓄电池和线性稳压器件的连续冲击。

Description

一种适用于蓄电池的大功率线性稳压电源
技术领域
本发明涉及一种稳压电源，具体涉及一种适用于蓄电池的大功率线性稳压电源，属于电源管理技术领域。
背景技术
在检测仪表、应急供电、综合电源等用到蓄电池输出大功率直流电压的领域，为了实现供电电压的稳定，几乎所有供电系统均采用稳压器供电。而线性稳压供电方式以其制作成本较低、可以达到很高的稳定度、波纹也很小的巨大优点得到了广泛的应用。
传统的线性稳压电源，采用的是诸如TL431的可调电压基准器来动态调整MOS管的导通状态，达到稳定输出电压的目的。但是这种线性稳压电路不能提供大功率的输出，同时没有采用一种很好的短路保护方式，或者采用的短路保护方式在出现短路情况时存在频率比较高的“打嗝”的现象。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可以实现大电流输出并且避免短路保护电路出现频率较高的“打嗝”现象的适用于蓄电池的大功率线性稳压电源。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种适用于蓄电池的大功率线性稳压电源，其特征在于，包括：
C8051单片机：为主控制单元，通过集成的模数转换电路实现线性稳压电源的输入、输出电压和输出电流的采集，并作出相应处理；
线性稳压单元：为稳压电源的核心，将蓄电池输入电压进行线性稳压，然后提供直流输出；在发生输出短路时切断直流输出，并将短路状态上报C8051单片机；
信号检测单元：检测及处理线性稳压电源的输入、输出电压和输出电流信号，供C8051单片机数字转换；
辅助电源单元：给C8051单片机和线性稳压电路提供工作电源；
人机交互界面：通过数码管显示线性稳压电源的输入、输出电压和输出电流，并声光指示电源的运行状态。
前述的适用于蓄电池的大功率线性稳压电源，其特征在于，前述线性稳压单元包括：线性稳压控制电路、大功率输出电路和自锁短路保护电路，
前述大功率输出电路由三只700W的MOS管V5、V6、V7并联而成，MOS管的漏极和源极分别接在蓄电池的正极和线性稳压电源的输出正极，栅极接到线性稳压控制电路；
前述线性稳压控制电路通过动态调整大功率输出电路中MOS管的导通状态，使输出电压稳定，同时由自锁短路保护电路提供输出短路保护，当发生短路时，将大功率输出电路中的MOS管关闭，达到短路保护的目的。
前述的适用于蓄电池的大功率线性稳压电源，其特征在于，前述MOS
前述的适用于蓄电池的大功率线性稳压电源，其特征在于，前述自锁短路保护电路由电流转换电路、电压基准电路、电压比较电路、自锁电路和光电隔离器组成；
电流转换电路将输出电流信号转换为电压信号并将电压信号传送给电压比较电路，电压基准电路将可调电压信号传送给电压比较电路，在输出短路时，电压比较电路输出高电平，通过自锁电路形成持续的高电平输出，通过控制光电隔离器导通将大功率输出电路中的MOS管的栅极置为低电平，以关断电源输出，同时，自锁电路将MOS管维持关断状态，并将短路信号上传到C8051单片机，发出短路声光报警。
前述的适用于蓄电池的大功率线性稳压电源，其特征在于，前述线性稳压控制电路由可调电压基准器TL431D1、限流电阻R1和R2、检测电阻R3和电位器RP1组成，
限流电阻R1第一端与辅助电源VCC1相连、第二端与限流电阻R2的第一端相连，电阻R2的第二端与可调电压基准器TL431D1的阴极相连，可调电压基准器TL431D1的阳极接地，检测电阻R3的第一端接地、第二端连到可调电压基准器TL431D1的参考端，检测电阻R3的第二端同时连到电位器RP1的第一端，电位器RP1的第二端与第三端相连，
辅助电源VCC1通过限流电阻R1和R2为可调电压基准器TL431D1供电，输出电压经检测电阻R3和电位器RP1分压加到可调电压基准器TL431D1的参考端。
前述的适用于蓄电池的大功率线性稳压电源，其特征在于，前述C8051单片机通过电阻分压的方式实现输出电压的采集，通过霍尔传感器实现输出电流的采集。
本发明的有益之处在于：基于C8051单片机实现对线性稳压电源的智能检测、控制和指示，并通过数码管显示，提供良好的人机界面，通过单片机检测电源的短路状态并声光报警；MOS管的温度特性是随温度的升高内阻也增大，MOS管有自动均流的特性而易于并联，这就使得本电路可以应用在需求大功率直流供电的场合；在发生输出短路时，可以通过自锁短路保护电路关闭电源的输出，避免了有些短路保护电路的频率较高的“打嗝”现象对蓄电池和线性稳压器件的连续冲击；同时，自锁短路保护电路将短路状态上传到单片机，通过声光报警提醒使用者处理短路故障。
附图说明
图1是本发明的线性稳压电源的组成框图；
图2是图1中的线性稳压单元的组成框图；
图3是图2中的自锁短路保护电路的组成框图；
图4是图2中的线性稳压单元的原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图1，本发明的适用于蓄电池的大功率线性稳压电源，包括：C8051单片机、线性稳压单元、信号检测单元、辅助电源单元和人机交互界面，下面分别进行说明。
C8051单片机：为主控制单元，通过集成的模数转换电路实现线性稳压电源的输入、输出电压和输出电流的采集，并作出相应处理。
C8051单片机通过电阻分压的方式实现输出电压的采集，通过霍尔传感器实现输出电流的采集。
线性稳压单元：为稳压电源的核心，线性稳压单元将蓄电池输入电压进行线性稳压，然后提供直流输出，并且在发生输出短路时切断直流输出，并将短路状态上报C8051单片机。
作为一种优选的方案，参照图2和图4，线性稳压单元包括：线性稳压控制电路、大功率输出电路和自锁短路保护电路。其中，大功率输出电路由三只700W的MOS管V5、V6、V7并联而成，MOS管优选为增强型的N沟道MOS管，MOS管V5、V6、V7的漏极和源极分别接在蓄电池的正极和线性稳压电源的输出正极，栅极接到线性稳压控制电路。线性稳压控制电路通过动态调整大功率输出电路中MOS管V5、V6、V7的导通状态，使输出电压稳定，同时由自锁短路保护电路提供输出短路保护，当发生短路时，将大功率输出电路中的MOS管V5、V6、V7关闭，达到短路保护的目的。
下面分别介绍线性稳压单元中的线性稳压控制电路和自锁短路保护电路。
参照图4，线性稳压控制电路由可调电压基准器TL431D1、限流电阻R1和R2、检测电阻R3和电位器RP1组成，具体的，限流电阻R1第一端与辅助电源VCC1(电压值为蓄电池电压+12V)相连、第二端与限流电阻R2的第一端相连，电阻R2的第二端与可调电压基准器TL431D1的阴极相连，可调电压基准器TL431D1的阳极接地，检测电阻R3的第一端接地、第二端连到可调电压基准器TL431D1的参考端，检测电阻R3的第二端同时连到电位器RP1的第一端，电位器RP1的第二端与第三端相连。电位器RP1的第三端还与稳压二极管V1的正极相连、与MOS管V5、V6、V7的源极相连，稳压二极管V1的负极连到限流电阻R1的第二端，同时连到MOS管V5、V6、V7，MOS管V5、V6、V7的漏极连到蓄电池的正极。辅助电源VCC1通过限流电阻R1和R2为可调电压基准器TL431D1供电，可调电压基准器TL431D1内部基准电压VREF为2.5V，输出电压为VO，输出电压VO经检测电阻R3和电位器RP1分压后加到可调电压基准器TL431D1的参考端(REF引脚)，可调电压基准器TL431D1的参考端的电压值设为VR，当VR>VREF时,则可调电压基准器TL431D1阴极存在电流，此时电阻R1和R2上有压降，则MOS管V5、V6、V7的栅极电压降低，其输出电压降低，直到VR＝VREF，实现稳压输出。即可调电压基准器TL431D1通过采集MOS管V5、V6、V7源极电压，调整MOS管V5、V6、V7栅极电压的大小，进而输出稳定的设定电压值，设定电压值由滑动变阻器阻值决定。
MOS管的温度特性是随温度的升高内阻也增大，如果在并联过程中由于某种原因(比如RDS(ON)比较低，电流路径比较短等)导致某颗MOS管的电流比较大，这颗MOS管会发热比较严重，内阻会升高比较多，电流就会降下来，由此可以分析出MOS管有自动均流的特性而易于并联。在蓄电池容量满足，同时在充分考虑散热设计的情况下，本线性稳压电源能够输出数百安的电流，这就使得本线性稳压电源可以应用在需求大功率直流供电的场合。
限流电阻R2用来限制放电电流，其可以防止在关机时MOS管V5、V6、V7的管脚之间的寄生电容放电烧坏可调电压基准器TL431D1。
可调电压基准器TL431D1参考端的分压电阻RP1和R3用于分压MOS管V5、V6、V7源极的输出电压，当输出电压的分压大于2.5V时，通过可调电压基准器TL431D1的作用，使MOS管V5、V6、V7的栅极电压降低，进而增大MOS管V5、V6、V7两端的压降，使输出电压降低，以此达到输出电压的稳定。
分压电阻RP1为可调电阻，通过调节其阻值可以将线性电源的输出电压设定到2.5-36V。
参照图3和图4，自锁短路保护电路由电流转换电路、电压基准电路、电压比较电路、自锁电路和光电隔离器组成。
作为一种优选的方案，参照图3和图4，自锁短路保护电路由电流转换电路、电压基准电路、电压比较电路、自锁电路和光电隔离器组成。
自锁短路保护电路通过检测线性稳压电源的输出电流来实现自锁短路保护，线性稳压电源的输出电流(大电流)通过自锁短路保护电路中的电流转换电路(主要由电流霍尔传感器和采样电阻组成)转化为小电压信号，并且电流转换电路将该小电压信号传送给电压比较电路，电压基准电路将由可调电压基准器TL431D2及调压电阻R6和RP2实现的可调电压信号传送给电压比较电路，与设定好的短路保护电流值比较来判断是否短路(短路保护电流值也可以通过滑动变阻器RP2调节)。
在输出短路时，电压比较电路输出高电平，即运算放大器D3A输出高电平，通过自锁电路使MOS管V5、V6、V7栅极接地，即通过控制光电隔离器V4导通将大功率输出电路中的MOS管V5、V6、V7的栅极置为低电平，输出电流值为零时，自锁电路形成持续的高电平输出，通过控制光电隔离器V4导通将大功率输出电路中的MOS管V5、V6、V7的栅极置为低电平，以关断电源输出；同时，自锁电路将MOS管V5、V6、V7维持关断状态，并将短路信号上传到C8051单片机，发出短路声光报警，待处理短路问题后，重启设备，线性稳压电源重新开始工作。
具体的，参见图4，线性稳压电源的输出电流(大电流)通过电流霍尔传感器变换为mA级的小电流，通过采样电阻R4连到运算放大器D3A的正相输入端，可调电压基准器TL431D2得到的短路电流参考电压接到运算放大器D3A的反相输入端，这样当输出电流未达到短路电流值时，运算放大器D3A输出低电平，不触发自锁短路保护电路；反之，运算放大器D3A输出高电平并通过电阻R9、R10、R11和三极管V2、V3组成的自锁电路将光电隔离器V4导通，进而将MOS管V5、V6、V7栅极接地，关断MOS管V5、V6、V7。同时通过“short”端口将短路信号上报单片机，发出短路声光报警，待解决短路问题后，重启设备，线性稳压电源重新开始工作。其中短路电流参考电压值处的RP2采用滑动变阻器，可以根据实际需要改变短路电流值。电容C1用于规避电源开机时的冲击电流。
由此可见，在发生输出短路时，可以通过自锁电路关闭电源的输出，避免了有些短路保护电路的频率较高的“打嗝”现象对蓄电池和线性稳压器件的连续冲击。
信号检测单元：用于检测及处理线性稳压电源的输入、输出电压和输出电流信号，供C8051单片机数字转换。
辅助电源单元：用于给C8051单片机和线性稳压电路提供工作电源。
人机交互界面：通过数码管显示线性稳压电源的输入、输出电压和输出电流，并声光指示电源的运行状态，通过声光报警提醒使用者及时处理短路等故障。
需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.适用于蓄电池的大功率线性稳压电源，其特征在于，包括：
C8051单片机：为主控制单元，通过集成的模数转换电路实现线性稳压电源的输入、输出电压和输出电流的采集，并作出相应处理；
线性稳压单元：为稳压电源的核心，将蓄电池输入电压进行线性稳压，然后提供直流输出；在发生输出短路时切断直流输出，并将短路状态上报C8051单片机；
信号检测单元：检测及处理线性稳压电源的输入、输出电压和输出电流信号，供C8051单片机数字转换；
辅助电源单元：给C8051单片机和线性稳压电路提供工作电源；
人机交互界面：通过数码管显示线性稳压电源的输入、输出电压和输出电流，并声光指示电源的运行状态。
2.根据权利要求1所述的适用于蓄电池的大功率线性稳压电源，其特征在于，所述线性稳压单元包括：线性稳压控制电路、大功率输出电路和自锁短路保护电路，
所述大功率输出电路由三只700W的MOS管V5、V6、V7并联而成，MOS管的漏极和源极分别接在蓄电池的正极和线性稳压电源的输出正极，栅极接到线性稳压控制电路；
所述线性稳压控制电路通过动态调整大功率输出电路中MOS管的导通状态，使输出电压稳定，同时由自锁短路保护电路提供输出短路保护，当发生短路时，将大功率输出电路中的MOS管关闭，达到短路保护的目的。
3.根据权利要求2所述的适用于蓄电池的大功率线性稳压电源，其特征在于，所述MOS管为增强型的N沟道MOS管。
4.根据权利要求2所述的适用于蓄电池的大功率线性稳压电源，其特征在于，所述自锁短路保护电路由电流转换电路、电压基准电路、电压比较电路、自锁电路和光电隔离器组成；
电流转换电路将输出电流信号转换为电压信号并将电压信号传送给电压比较电路，电压基准电路将可调电压信号传送给电压比较电路，在输出短路时，电压比较电路输出高电平，通过自锁电路形成持续的高电平输出，通过控制光电隔离器导通将大功率输出电路中的MOS管的栅极置为低电平，以关断电源输出，同时，自锁电路将MOS管维持关断状态，并将短路信号上传到C8051单片机，发出短路声光报警。
5.根据权利要求2所述的适用于蓄电池的大功率线性稳压电源，其特征在于，所述线性稳压控制电路由可调电压基准器TL431D1、限流电阻R1和R2、检测电阻R3和电位器RP1组成，
限流电阻R1第一端与辅助电源VCC1相连、第二端与限流电阻R2的第一端相连，电阻R2的第二端与可调电压基准器TL431D1的阴极相连，可调电压基准器TL431D1的阳极接地，检测电阻R3的第一端接地、第二端连到可调电压基准器TL431D1的参考端，检测电阻R3的第二端同时连到电位器RP1的第一端，电位器RP1的第二端与第三端相连，
辅助电源VCC1通过限流电阻R1和R2为可调电压基准器TL431D1供电，输出电压经检测电阻R3和电位器RP1分压加到可调电压基准器TL431D1的参考端。
6.根据权利要求1所述的适用于蓄电池的大功率线性稳压电源，其特征在于，所述C8051单片机通过电阻分压的方式实现输出电压的采集，通过霍尔传感器实现输出电流的采集。
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