一種小型智能化UPS系統(tǒng)的嵌入式設(shè)計(jì)方案

摘要：針對(duì)直流不間斷電源紋波小、輸出穩(wěn)定的特點(diǎn)，提出了一種小型智能化UPS 系統(tǒng)的嵌入式設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)結(jié)合高效AC-DC 模塊、LTC1512 穩(wěn)壓充電模塊、LTC3780 高性能降壓-升壓型放電模塊和LTC4256 熱插拔保護(hù)模塊，以獲得純凈、穩(wěn)定的直流輸出。嵌入式系統(tǒng)采用C8051F320 為主控芯片，通過ADC 監(jiān)測(cè)、智能判斷、實(shí)時(shí)中斷保護(hù)等軟件方式實(shí)現(xiàn)UPS 持續(xù)可靠供電和智能化監(jiān)控。測(cè)試結(jié)果表明： 該小型UPS 電源掉電切換時(shí)間小于5ms,能提供四路12±0.5 V 的穩(wěn)定輸出，并具備電壓、電流、溫度異常等監(jiān)控保護(hù)功能。

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(dòng)機(jī)器人等低電壓場(chǎng)合，具備運(yùn)行可靠、噪音小、能耗低等特點(diǎn)。目前國(guó)外多所高校和公司在針對(duì)該類UPS 進(jìn)行研究和試制，并且在小型交流UPS 電源上取得了一些進(jìn)展。但是國(guó)內(nèi)所進(jìn)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(jì)上采用了嵌入式設(shè)計(jì)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(shí)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

如圖1 所示，根據(jù)項(xiàng)目需要，設(shè)計(jì)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(shí)該模塊內(nèi)置市電檢測(cè)模塊，用來產(chǎn)生市電掉電信號(hào)，并將信號(hào)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(hù)模塊供給負(fù)載。同時(shí)該直流輸出經(jīng)過LTC1512 充電模塊穩(wěn)流后對(duì)鋰電池組進(jìn)行充電。當(dāng)系統(tǒng)工作在電池組供電模式時(shí)，鋰電池組通過LTC3780 放電模塊為負(fù)載提供12 V 直流供電。

圖1 系統(tǒng)整體方框圖

1.2 主控芯片

為了提高系統(tǒng)的集成度，設(shè)計(jì)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(gè)外部中斷源(INT0,INT1)以及一個(gè)可編程計(jì)數(shù)器陣列(Programmable Counter Array,PCA)， 可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多路I/O 信號(hào)及產(chǎn)生方波控制信號(hào)。

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(yùn)行狀況。當(dāng)捕捉到市電掉電信號(hào)時(shí)，主控芯片迅速給LTC3780 發(fā)出工作信號(hào)(高電平)，并給LTC1512 發(fā)出關(guān)閉信號(hào)(低電平)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的不間斷供電;當(dāng)捕捉到市電來電信號(hào)時(shí)，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(cè)模塊

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)主控芯片及其他外圍芯片的隔離保護(hù)，市電檢測(cè)模塊通過PC817 型光耦將市電掉電信號(hào)接入主控芯片：當(dāng)市電正常供電時(shí)，在光敏二極管的驅(qū)動(dòng)下，主控芯片的對(duì)應(yīng)引腳直接被接地置低;當(dāng)市電掉電時(shí)，光耦斷開，對(duì)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(cè)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(jì)采用電源選擇芯片LTC4416 實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電源選擇。電路如圖2 所示，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(shí)，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 i l(圖中電路Vf a i l為8.9 V)時(shí)，LTC4416 判定主電源供電故障， 選擇鋰電池組對(duì)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(shí)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， 系統(tǒng)內(nèi)部電源分配如圖3 所示。

圖2 LTC4416 電源選擇模塊電路

圖3 系統(tǒng)內(nèi)部電源框圖

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(hào)、放電結(jié)束信號(hào)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(shí)，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(shí)現(xiàn)對(duì)UPS 的智能化管理，系統(tǒng)需要對(duì)電池組電壓和充電電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。電池組電壓的測(cè)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(jìn)而推導(dǎo)出電流值。

1.7 熱插拔模塊

熱插拔保護(hù)即帶電插拔保護(hù)，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(diǎn)之一是集成以LTC4256 為核心的熱插拔保護(hù)模塊，從而提高系統(tǒng)對(duì)災(zāi)難的及時(shí)恢復(fù)能力、擴(kuò)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。