如何通過控制相應(yīng)的DC-DC 模塊控制小型UPS 電源

引言

該類小型智能化UPS 電源主要應(yīng)用在通信行業(yè)、醫(yī)療設(shè)備和移動機器人等低電壓場合，具備運行可靠、噪音小、能耗低等特點。目前國外多所高校和公司在針對該類UPS 進行研究和試制，并且在小型交流UPS 電源上取得了一些進展。但是國內(nèi)所進行的相關(guān)研究尚處于起步階段。

不同于多數(shù)交流輸出的UPS 電源，本文提出的小型UPS 電源是通過控制相應(yīng)的DC-DC 模塊直接獲得直流輸出，避免了轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗。在系統(tǒng)設(shè)計上采用了嵌入式設(shè)計思想，將主控芯片與外圍功能電路融合在同一塊電路板中，軟硬件協(xié)同工作以實現(xiàn)UPS 的智能化管理并大大減小系統(tǒng)的體積。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概述

根據(jù)項目需要，設(shè)計以110 V/50Hz 的交流電為市電輸入，通過開關(guān)電源模塊將110V 交流電轉(zhuǎn)換成12 V 的直流電。同時該模塊內(nèi)置市電檢測模塊，用來產(chǎn)生市電掉電信號，并將信號傳送給主控芯片。市電經(jīng)過開關(guān)電源AC-DC 轉(zhuǎn)換后得到12 V 直流輸出并通過LTC4256 熱插拔保護模塊供給負(fù)載。同時該直流輸出經(jīng)過LTC1512 充電模塊穩(wěn)流后對鋰電池組進行充電。當(dāng)系統(tǒng)工作在電池組供電模式時，鋰電池組通過LTC3780 放電模塊為負(fù)載提供12 V 直流供電。

1.2 主控芯片

為了提高系統(tǒng)的集成度，設(shè)計采用內(nèi)部集成AD 轉(zhuǎn)換功能單元的C8051F320 作為主控芯片。該芯片內(nèi)含兩個外部中斷源(INT0,INT1)以及一個可編程計數(shù)器陣列(Programmable Counter Array,PCA)， 可以同時監(jiān)測多路I/O 信號及產(chǎn)生方波控制信號。

主控芯片通過不斷讀取鋰電池組電壓、溫度、充電電流以獲知系統(tǒng)當(dāng)前的運行狀況。當(dāng)捕捉到市電掉電信號時，主控芯片迅速給LTC3780 發(fā)出工作信號(高電平)，并給LTC1512 發(fā)出關(guān)閉信號(低電平)，從而實現(xiàn)對負(fù)載的不間斷供電;當(dāng)捕捉到市電來電信號時，主控芯片給出相反的邏輯電平，切換為市電供電狀態(tài)。

1.3 市電檢測模塊

為了實現(xiàn)對主控芯片及其他外圍芯片的隔離保護，市電檢測模塊通過PC817 型光耦將市電掉電信號接入主控芯片：當(dāng)市電正常供電時，在光敏二極管的驅(qū)動下，主控芯片的對應(yīng)引腳直接被接地置低;當(dāng)市電掉電時，光耦斷開，對應(yīng)引腳被3.3 V 電源置高。主控芯片通過中斷程序監(jiān)測該引腳上邏輯電平的變化得到市電供電的狀態(tài)從而控制UPS 電源工作在相應(yīng)狀態(tài)。

1.4 電源管理模塊

電源管理模塊由電源選擇單元和穩(wěn)壓芯片組構(gòu)成。設(shè)計采用電源選擇芯片LTC4416 實現(xiàn)內(nèi)部電源選擇。開關(guān)電源輸出為主電源，鋰電池組為從電源。其工作方式為：當(dāng)市電供電時，LTC4416 通過E1 引腳判定主電源供電正常; 當(dāng)開關(guān)電源輸出電壓低于Vf a iLTC4416 判定主電源供電故障， 選擇鋰電池組對系統(tǒng)內(nèi)部供電。電源選擇電路不僅保證了系統(tǒng)內(nèi)部正常供電，也增加了電池組的工作時間。穩(wěn)壓芯片組將選擇后的電源分別穩(wěn)壓為5 V 和3.3 V,并提供給相應(yīng)的模塊，

1.5 后備鋰電池組

該UPS 電源采用14.4 V,3.3 Ah 可充電鋰電池組作為后備電池組，其最大充電電壓為17.4 V.電池組內(nèi)部集成了控制芯片，供電后，控制芯片能產(chǎn)生充電完成信號、放電結(jié)束信號以及電池組溫度。

1.6 充電模塊及放電模塊

以LTC1512 為核心的充電模塊，通過電壓及電流反饋調(diào)節(jié)等方式將12 V 直流輸入轉(zhuǎn)換為16.8 V的恒流輸出向電池組充電。當(dāng)電池組供電時，以LTC3780 為核心的放電模塊將電池組輸出穩(wěn)壓為12 V 提供給負(fù)載。

為了實現(xiàn)對UPS 的智能化管理，系統(tǒng)需要對電池組電壓和充電電流進行監(jiān)測。電池組電壓的測量方法為：將電壓分壓、濾波后送入主控芯片的AD 轉(zhuǎn)換單元，處理得到當(dāng)前電壓值。充電電流則通過將采樣電阻兩端的電壓分別送入ADC 單元轉(zhuǎn)換得到電壓差值，進而推導(dǎo)出電流值。

1.7 熱插拔模塊

熱插拔保護即帶電插拔保護，允許用戶在不關(guān)閉系統(tǒng)、不切斷電源的情況下取出和更換硬盤、電源或板卡等部件。該UPS 電源優(yōu)點之一是集成以LTC4256 為核心的熱插拔保護模塊，從而提高系統(tǒng)對災(zāi)難的及時恢復(fù)能力、擴展性和靈活性等。此外LTC4256 還能起到抑制輸出紋波、提高電能質(zhì)量的作用。

開關(guān)電源是現(xiàn)代電子設(shè)備中常用的電源供應(yīng)方式之一，它具有高效率、小體積、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在各種電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。然而，對于初學(xué)者來說，設(shè)計和調(diào)試開關(guān)電源可能是一個具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。本文將從零開始，一步步為大家介紹如何設(shè)計和調(diào)試開關(guān)電源。

理解開關(guān)電源的基本原理

在設(shè)計開關(guān)電源之前，首先要理解開關(guān)電源的基本原理。開關(guān)電源通過開關(guān)管的開關(guān)動作來調(diào)節(jié)輸入電源，從而輸出所需的電壓和電流。其基本組成包括輸入濾波電路、整流電路、變換電路、輸出濾波電路等。對于初學(xué)者來說，建議先通過學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識，對開關(guān)電源的工作原理有一個清晰的認(rèn)識。

選擇合適的器件和元件

在設(shè)計開關(guān)電源時，選擇合適的器件和元件是至關(guān)重要的。例如，選擇合適的開關(guān)管、變壓器、電容器和電感器等元件，以確保電源的性能和穩(wěn)定性。此外，還需要根據(jù)設(shè)計需求選擇合適的控制電路和保護電路，以提高電源的可靠性和安全性。

在選擇好器件和元件后，可以開始進行電路設(shè)計和仿真分析。利用電路設(shè)計軟件，繪制出開關(guān)電源的原理圖，并進行仿真分析，驗證電路的性能和穩(wěn)定性。通過仿真分析，可以及時發(fā)現(xiàn)和解決電路中存在的問題，提高設(shè)計的效率和準(zhǔn)確性。

PCB設(shè)計和布局布線

完成電路設(shè)計和仿真分析后，接下來是進行PCB設(shè)計和布局布線。合理的PCB布局和布線可以有效地減小電路的電磁干擾和噪聲，提高電路的抗干擾能力和穩(wěn)定性。因此，在進行PCB設(shè)計時，需要注意布局布線的規(guī)范和技巧，確保電路的性能和可靠性。

進行實驗驗證和調(diào)試優(yōu)化

完成PCB設(shè)計和布局布線后，接下來是進行實驗驗證和調(diào)試優(yōu)化。將設(shè)計好的PCB板進行加工制作，并進行實驗驗證，檢查電路的工作狀態(tài)和性能參數(shù)。在實驗驗證過程中，可能會出現(xiàn)一些問題，需要及時進行調(diào)試優(yōu)化，找出并解決問題，確保電路的正常工作。

總結(jié)和分享經(jīng)驗

最后，完成開關(guān)電源的設(shè)計和調(diào)試后，可以對整個過程進行總結(jié)和分享經(jīng)驗?？偨Y(jié)經(jīng)驗可以幫助我們更好地理解和掌握開關(guān)電源的設(shè)計和調(diào)試技巧，為以后的設(shè)計工作提供參考和借鑒。同時，也可以通過分享經(jīng)驗，與其他人交流和學(xué)習(xí)，共同進步。

通過以上六個步驟，我們可以逐步學(xué)習(xí)和掌握開關(guān)電源的設(shè)計和調(diào)試技巧，從而設(shè)計出性能穩(wěn)定、可靠性高的開關(guān)電源。雖然設(shè)計和調(diào)試開關(guān)電源可能會遇到一些挑戰(zhàn)，但只要有耐心和勇氣，相信每個人都可以完成這個任務(wù)。希望本文能夠幫助到大家，祝愿大家在開關(guān)電源的設(shè)計和調(diào)試過程中取得成功!