基于ARM單片機(jī) LPC2214的在線式UPS硬件設(shè)計(jì)

1 概 述

目前UPS主要發(fā)展方向有兩個(gè)：一是新的功能不斷加強(qiáng)，例如增加遠(yuǎn)程監(jiān)視、自動(dòng)診斷、識(shí)別、事件記錄、故障警告等功能；二是自身效率的提高。采用高效率的IC芯片和新的制造工藝，使空載功耗不斷地降低，功率密度進(jìn)一步提高。緊湊密集的空間設(shè)計(jì)給小型電子設(shè)備的應(yīng)用帶來(lái)了新的解決方案。

將功能強(qiáng)大的嵌入式微處理器(本文選用LPC2214)系統(tǒng)引入UPS，可以增強(qiáng)UPS的功能，使其具有網(wǎng)絡(luò)化、智能化的特性，滿足許多無(wú)人職守基站的用電要求。用數(shù)字控制代替模擬控制，可以消除溫漂、老化等模擬器件存在的問(wèn)題；抗干擾能力強(qiáng)，有利于參數(shù)整定和調(diào)節(jié)；通用性強(qiáng)，便于通過(guò)改變程序軟件方便地調(diào)整方案和實(shí)現(xiàn)多種新型控制策略；同時(shí)高度集成的數(shù)字電路可以減少元件數(shù)目，簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，降低開發(fā)成本，并提高系統(tǒng)的可靠性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)論市電正常與否，在線式UPS電源的逆變部分始終處于工作狀態(tài)。逆變器提供穩(wěn)壓和調(diào)節(jié)功能，對(duì)電網(wǎng)供電起到“凈化”作用，同時(shí)具有過(guò)載保護(hù)功能和較強(qiáng)的抗干擾能力，供電質(zhì)量穩(wěn)定可靠，在各種拓?fù)浜团渲媒Y(jié)構(gòu)的UPS類型中使用較為普遍。因此本文設(shè)計(jì)方案采用三階轉(zhuǎn)換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即AC-DC-AC。

2．1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。當(dāng)市電正常時(shí)，市電輸入U(xiǎn)PS經(jīng)濾波、PFC后，升壓到400 V直流電；再經(jīng)過(guò)逆變器逆變成220 V交流電，輸向負(fù)載；同時(shí)400 V直流電經(jīng)過(guò)Buck降壓電路降壓后給電池充電。當(dāng)市電斷電后，電池經(jīng)Boost拓?fù)渖龎弘娐方o總線供電，然后逆變成220 V交流電。LPC2214的A／D模塊采集各個(gè)點(diǎn)的工作信息，主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，依據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行判斷，作出相應(yīng)的變化，并將生成的相關(guān)記錄信息存儲(chǔ)到NANDFlash中。遠(yuǎn)程接口通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)連接，用戶可以在監(jiān)控中心進(jìn)行相關(guān)設(shè)定和遠(yuǎn)程控制。

2．2 ARM主控模塊及驅(qū)動(dòng)電路

LPC2214是支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-S CPU微控制器。它帶有256 KB的高速Flash存儲(chǔ)器，128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最高時(shí)鐘頻率下運(yùn)行；擁有豐富的外圍接口，如A／D轉(zhuǎn)換器、PWM單元、32位定時(shí)器、向量中斷控制器、串口、I2C接口等，可以簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)，諸如A／D采集、PWM調(diào)制電路等；內(nèi)部時(shí)鐘頻率可達(dá)60 MHz，A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2．44μs，完全可以滿足日益提高的UPS工作頻率和功能要求。PFC、DC／DC、DC／AC是系統(tǒng)中主要的能量轉(zhuǎn)換部分。DC／DC部分包括Buck電池充電電路、Boost電池升壓電路。所有的PWM控制由單一的LPC2214完成。

LPC2214有6路PWM輸出，通過(guò)對(duì)功能寄存器的配置，可設(shè)定占空比的大小和定時(shí)頻率的高低；實(shí)現(xiàn)6路單邊沿控制或3路雙邊沿控制的PWM輸出，或這兩種類型的混合輸出；具有雙緩沖功能，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。PWM1、PWIVE驅(qū)動(dòng)PFC，PWM3驅(qū)動(dòng)Buck電池充電電路，PWM4驅(qū)動(dòng)Boost電池升壓電路，PWM5、PwM6驅(qū)動(dòng)逆變電路。由于LPC2214的I／O引腳輸出能力微弱，需要驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)MOSFET功率管。驅(qū)動(dòng)電路采用間接式磁隔離電壓型驅(qū)動(dòng)電路。LPC2214驅(qū)動(dòng)PN2222(Q1)。當(dāng)輸出高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，VCC電壓加在TP1初級(jí)，次級(jí)獲得感應(yīng)電壓，此時(shí)電壓通過(guò)R1對(duì)VTP1柵極充電，使其導(dǎo)通。當(dāng)LPC2214輸出低電平時(shí)，Q1關(guān)斷，變壓器TP1初級(jí)線圈由于電感的作用繼續(xù)阻礙電流的變化，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，使Q1的集電壓升高。D1、R2和C1組成吸收電路，將產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)吸收消耗，避免電壓升高擊穿Q1。變壓器的次級(jí)也產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，QP1導(dǎo)通，使VTP1的柵極存儲(chǔ)電荷通過(guò)QP1釋放，加速VTP1的關(guān)斷。IGBT驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

2．3 采樣與A／D模塊

采集電路采集輸入電網(wǎng)的電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流、電池電壓、充電電流、放電電流等。LPC2214根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，控制PWM的占空比變化，使其輸出對(duì)應(yīng)的方波。LPC2214的A／D模塊是19位逐次逼近式模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，測(cè)量范圍為0～3 V，一個(gè)或多個(gè)輸入的Burst轉(zhuǎn)換模式；基本時(shí)鐘由VPB時(shí)鐘模式，可編程分頻器可將時(shí)鐘調(diào)整至逐步逼近轉(zhuǎn)換所需的4．5 MHz。電壓信號(hào)采集分為交流電壓取樣和直流電壓取樣兩種電路。交流電壓的信號(hào)經(jīng)電阻分壓為-1．5～+1．5 V的信號(hào)。通過(guò)運(yùn)算放大電路加負(fù)電壓偏置，將采樣信號(hào)平移到0～3 V的范圍內(nèi)，滿足A／D的采集范圍。直流電壓信號(hào)(如400 V總線)和電池電壓經(jīng)分壓電路降壓后，直接進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器的采集端。

電流信號(hào)同樣分交流電流和直流電流，采用霍爾電流傳感器LA58-P進(jìn)行電流／電壓轉(zhuǎn)換。交流電流產(chǎn)生的電壓信號(hào)降壓后同樣經(jīng)負(fù)電壓偏置后接入對(duì)應(yīng)的A／D轉(zhuǎn)換器采集端口。直流電流對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)采集經(jīng)分壓電阻降壓后進(jìn)入A／D采集端子。圖3為交流電壓、交流電流的采樣偏置電路。其中，Vi是霍爾傳感器產(chǎn)生的電壓信號(hào)。

除上述介紹的采集信號(hào)外，還有電池溫度、環(huán)境溫度、相位檢測(cè)等與UPS使用、管理、維護(hù)相關(guān)的信號(hào)參數(shù)。根據(jù)采集參數(shù)的不同，有各自應(yīng)用的電路。

2．4 供電模塊

LPC2214是雙電源工作，分為CPU操作電壓(1．8 V)和I／O操作電壓(3．3 V)，相應(yīng)地需要兩種電壓的電源。本設(shè)計(jì)采用的低壓差線性穩(wěn)壓器LDO為TI公司的TPS73xx系列穩(wěn)壓器，將5 V電壓穩(wěn)壓成主控芯片的3．3 V和1．8 V。TPS73xx系列芯片是雙路輸出，輸出電流可達(dá)250 mA，內(nèi)部集成電壓監(jiān)控器監(jiān)視器，噪聲低，負(fù)載／線路瞬態(tài)響應(yīng)優(yōu)良。圖4為雙路LDO電源。5 V電源來(lái)自采用飛兆公司的FSDM0265設(shè)計(jì)的反激式開關(guān)電源。反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)輸入電壓為AC 85～265 V。當(dāng)市電正常供電時(shí)，使用市電；當(dāng)市電電網(wǎng)斷電時(shí)，由電池的電壓向反激式開關(guān)電源供電，生成電路中應(yīng)用的低壓直流電源。

2．5 工作存儲(chǔ)模塊

工作存儲(chǔ)模塊采用NAND Flash K9F2G16U0M。其內(nèi)部采用非線性宏單元模式，固態(tài)大容量存儲(chǔ)；容量為256 MB，采用頁(yè)寫模式；通過(guò)并行數(shù)據(jù)接口連接到數(shù)據(jù)總線，可以快速地進(jìn)行存儲(chǔ)或讀取。

工作信息分為環(huán)境信息和系統(tǒng)信息。環(huán)境信息有電網(wǎng)電壓、環(huán)境溫度等；系統(tǒng)信息有輸入電流、輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、充電電壓、電池信息、斷電次數(shù)、斷電時(shí)間等。電池信息又分為電池溫度、放電程度、放電電流、充電時(shí)間、電池電壓等。為了數(shù)據(jù)移動(dòng)方便，在總線上連接了USB模塊。USB芯片選用Philips公司的高性能USB接口器件PDIUSBD12。用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控將存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)上傳，或者用移動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備將數(shù)據(jù)拷貝。如圖5所示，工作時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到K9F2G16U0M中。當(dāng)檢測(cè)到USB有外接時(shí)，將當(dāng)前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)打包，通過(guò)USB接口發(fā)送數(shù)據(jù)。

2．6 網(wǎng)絡(luò)接口模塊

UPS系統(tǒng)在向網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，所以在主控模塊電路中設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)接口，如圖6所示。

網(wǎng)絡(luò)接口模塊采用CP2200芯片。CP2200是Silicon Labs公司推出的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器。符合。IEEE802．3協(xié)議，內(nèi)置10 Mbps以太物理層器件PHY及媒介接入控制器MAC，具有可編程填充和CRC自動(dòng)生成功能；具備可編程濾波功能和特殊的過(guò)濾器，可自動(dòng)評(píng)價(jià)，接收或拒收Magic Packet、單播、多播等信息包；支持Intel和Mo-torola兩種總線方式；具有8 KBFlash存儲(chǔ)器，可對(duì)其靈活編程。遠(yuǎn)程接口不僅可以向用戶提供遠(yuǎn)程監(jiān)控等服務(wù)，同時(shí)也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口將系統(tǒng)軟件升級(jí)。圖6中，F(xiàn)C-518LS隔離器將網(wǎng)絡(luò)與主控芯片電氣隔離，保護(hù)系統(tǒng)不受網(wǎng)絡(luò)中的雜波信號(hào)干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

基于LPC2214的數(shù)字化UPS，簡(jiǎn)化了電路的硬件設(shè)計(jì)，降低了硬件成本，提高了UPS的可靠性，擴(kuò)大了升級(jí)空間和產(chǎn)品的多樣性。通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)性電路與程序的結(jié)合，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，為后續(xù)研究提供了一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。