DIY不間斷UPS電源之前你需要了解什么？

隨著各種電子電力設(shè)備的發(fā)展，不間斷電源的作用也越來越重要。從事不間斷電源設(shè)計(jì)的從業(yè)人員也越來越多，市面上售賣的UPS電源功率較大，并不是合適初學(xué)者來進(jìn)行拆解和DIY，今天小編為大家?guī)硪豢钚」β实?00W不間斷UPS電源的制造，原理圖參照EG8010、EG4313等手冊(cè)，總體來說還是比較好完成的。

　　(a)

　　(b)

　　圖1 成品

　　此款UPS不間斷電源的設(shè)計(jì)要求是，輸入12V/20AH的鉛酸電池，輸出一組220V/50Hz/50W和一組110V/50Hz/50W。帶有短路、過流、過放電保護(hù)，根據(jù)是否有市電接入，220V輸出可以在逆變和市電之間切換。　　整機(jī)的主體結(jié)構(gòu)是SG3525準(zhǔn)閉環(huán)推挽升壓+EG8010全橋逆變+EG4318充電控制，使用了一顆帶8位AD的MCU作電量指示、過放電自動(dòng)關(guān)機(jī)控制、單鍵輕觸開關(guān)機(jī)控制以及市電/逆變切換，同時(shí)在電池側(cè)使用了高邊電流檢測(cè)方式，電池測(cè)電流超過15A時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)。

　　(a)

　　(b)

　　圖2 電路板

　　整版的結(jié)構(gòu)比較緊湊，因此使用了常用的字母板結(jié)構(gòu)，由于輸出功率很小，選用廉價(jià)的IR2106作為高低邊驅(qū)動(dòng)。推挽部分使用EI33變壓器，瞬間功率可以超過200W，但實(shí)際功率受到推挽部分散熱限制，因此通過高邊電流檢測(cè)限制在120W左右確保可靠性。兩路spwm濾波電感均采用廉價(jià)的EE25鐵氧體磁芯氣隙電感。

　　下面重點(diǎn)講解眾多初學(xué)者的迷惑，在設(shè)計(jì)制造UPS不間斷電源時(shí)的一些常見問題。　　推挽部分該用什么磁芯?

　　首先我們要搞清楚，推挽屬于正激類，我們要做的是一個(gè)真正意義的變壓器，而不是反激里面的電感，所以應(yīng)該用高磁導(dǎo)率的磁芯以增大初級(jí)電感，降低勵(lì)磁電流。所以磁芯材料一般用鐵氧體，至于結(jié)構(gòu)，可以用能夠想象的任何結(jié)構(gòu)，包括磁環(huán)。

　　已知了輸出功率，應(yīng)該用多大的磁芯?

　　這個(gè)問題我感覺確實(shí)很復(fù)雜。磁芯大小完全取決于兩個(gè)條件，一是磁芯任何時(shí)候不能飽和，這就要求磁芯要有一定的截面積能夠容下足夠的匝數(shù)(也就是窗口面積);二是溫升，包括磁芯的溫升以及銅線溫升。磁芯的溫升受頻率，detaB影響，而detaB同樣取決于截面積和匝數(shù)，不考慮趨膚效應(yīng)的話，銅線溫升又取決于電流密度。歸一而論，最后磁芯的截面積Ae和窗口面積Aw決定了磁芯能夠做到的功率。

　　對(duì)于初學(xué)者，個(gè)人感覺沒有必要通過計(jì)算的方法選磁芯，根據(jù)功率，查查前輩們的使用經(jīng)驗(yàn)，該用多大磁芯也就心里有數(shù)。如果是做實(shí)驗(yàn)，可以大膽地把磁芯用小，而給客戶做產(chǎn)品，就盡可能用大一點(diǎn)的，留足余量。

　　推挽變壓器的匝數(shù)怎么算?

　　匝數(shù)的計(jì)算，最終的目的有兩個(gè)：一是使峰值磁通密度Bmax小于飽和磁通密度Bsat，防止磁芯飽和，PC40材質(zhì)的鐵氧體100攝氏度下Bsat=0.39T;二是使磁通密度擺幅detaB控制在一定范圍內(nèi)，通常對(duì)于單向擺幅的正激、反激類，detaB取在0.2到0.25之間，對(duì)于雙向擺幅的推挽、半橋和全橋類，detaB取在正負(fù)0.2以內(nèi)。

　　下面介紹推挽的怎么算。首先我們要搞清楚推挽的工作頻率。對(duì)于SG3525，振蕩頻率計(jì)算方法如下：

　　fosc=1/(Ct*(0.67Rt+3Rd))

　　千萬記住，這個(gè)頻率是振蕩頻率，SG3525輸出的兩路互補(bǔ)方波頻率是振蕩頻率的一半。如果我們?nèi)t=2.2nF，Rt=10K，Rd=47歐的話，fosc=66KHz，那么輸出兩路方波的頻率就是33KHz，占空比為0.5(死區(qū)就忽略了)。

　　對(duì)于正激類的變壓器，磁芯是工作在斷續(xù)模式的，因此可以直接用獨(dú)立電壓方程計(jì)算匝數(shù)：

　　N=Von*Ton/(Ae*detaB)

　　假設(shè)使用的是12V電池，那么最高電壓接近14V，因此Von=14V，Ton=0.5/f=0.5/33=0.015ms=15us，選用EI33磁芯，Ae=107mm^2，detaB選正負(fù)0.16，即0.32，那么：

　　N=14*15/(107*0.32)=6T

　　所以，初級(jí)繞組我們就采用6+6的結(jié)構(gòu)?！　〗酉聛砜创渭?jí)。次級(jí)有兩種繞法，中抽頭接成全波整流的形式或者單繞組接成橋式整流的方式。因?yàn)榈诙N方法變壓器磁芯利用率更高且結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，因此采用第二種。

　　考慮到效率不為1帶來的損失及逆變部分占空比的限制，對(duì)于220V輸出這組，取最低母線電壓為220V交流正弦峰值的1.1倍，即310*1.1=340V，這個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)電池電壓接近過放電關(guān)機(jī)電壓10.8V時(shí)獲得，取電池電壓11V，那么匝比為：

　　n=Vbuik_min/Vbat_min=340/11=31

　　因此，次級(jí)繞組匝數(shù)為6*31=186V，以此類推可以得到110V輸出繞組的匝數(shù)。

　　按照以上匝比，14V輸入時(shí)，母線電壓為14*31=434V，如果做成準(zhǔn)閉環(huán)結(jié)構(gòu)，我們可以設(shè)定閉環(huán)電壓在430V附近，防止空載和輕載下電壓過高，這樣就可以使用450V耐壓的電解電容作為母線濾波電容。

　　準(zhǔn)閉環(huán)有什么好處?

　　準(zhǔn)閉環(huán)在正常負(fù)載下其實(shí)是開環(huán)，開環(huán)的話，占空比為50%，輸出電壓紋波小，不需要儲(chǔ)能電感。同時(shí)，開環(huán)下，動(dòng)態(tài)響應(yīng)不受環(huán)路帶寬限制。

　　母線儲(chǔ)能電解用多大容量?

　　對(duì)于準(zhǔn)閉環(huán)或者開環(huán)的推挽，如果不考慮死區(qū)，理論上可以不要這個(gè)儲(chǔ)能電容，但是實(shí)際上這個(gè)電容由兩個(gè)用途，一是保持死區(qū)時(shí)的電壓，從這一點(diǎn)考慮，他是儲(chǔ)能的作用。而死區(qū)往往是很小的，因此，這個(gè)電容完全不需要很大的容量，據(jù)我實(shí)測(cè)，1W用個(gè)0.1uF應(yīng)該是足夠了。同時(shí)這個(gè)電容承受的紋波電流也是很小的，可以從仿真直接看，也可以從實(shí)測(cè)溫度看。第二點(diǎn)，這個(gè)電容需要處理部分的高頻尖峰以及工頻紋波，也就是退耦的作用。選得太小的話，初級(jí)測(cè)的工頻紋波會(huì)很大，增大了變壓器的應(yīng)力，同時(shí)變壓器也容易發(fā)聲。

　　一般考慮1uF=3W，電容小了也可以工作，但前級(jí)濾波壓力大了，更重要的一點(diǎn)是要兼顧干擾，電容小干擾就會(huì)明顯。足夠多的容量也保證了足夠低的母線內(nèi)阻。

　　本篇文章的特殊之處，是對(duì)推挽式變壓器進(jìn)行了一部分的講解，提供了經(jīng)過實(shí)踐而得來的經(jīng)驗(yàn)，較教科書上的知識(shí)來的珍貴。不僅如此，在逆變器的設(shè)計(jì)上，不再僅僅給出參數(shù)，而是給出了設(shè)計(jì)的方法，對(duì)初學(xué)者來說有非常高的參考價(jià)值。