一種小型智能化UPS系統的嵌入式設計方案

摘要：針對直流不間斷電源紋波小、輸出穩定的特點(diǎn)，提出了一種小型智能化UPS 系統的嵌入式設計方案。系統結合高效AC-DC 模塊、LTC1512 穩壓充電模塊、LTC3780 高性能降壓-升壓型放電模塊和LTC4256 熱插拔保護模塊，以獲得純凈、穩定的直流輸出。嵌入式系統采用C8051F320 為主控芯片，通過(guò)ADC 監測、智能判斷、實(shí)時(shí)中斷保護等軟件方式實(shí)現UPS 持續可靠供電和智能化監控。測試結果表明： 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 的穩定輸出，并具備電壓、電流、溫度異常等監控保護功能。

引言

該類(lèi)小型智能化UPS 電源主要應用在通信行業(yè)、醫療設備和移動(dòng)機器人等低電壓場(chǎng)合，具備運行可靠、噪音小、能耗低等特點(diǎn)。目前國外多所高校和公司在針對該類(lèi)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。但是國內所進(jìn)行的相關(guān)研究尚處于起步階段。

不同于多數交流輸出的UPS 電源，本文提出的小型UPS 電源是通過(guò)控制相應的DC-DC 模塊直接獲得直流輸出，避免了轉換過(guò)程中的能量損耗。在系統設計上采用了嵌入式設計思想，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(shí)現UPS 的智能化管理并大大減小系統的體積。

1 硬件系統

1.1 系統概述

如圖1 所示，根據項目需要，設計以110 V/50Hz 的交流電為市電輸入，通過(guò)開(kāi)關(guān)電源模塊將110V 交流電轉換成12 V 的直流電。同時(shí)該模塊內置市電檢測模塊，用來(lái)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(guò)開(kāi)關(guān)電源AC-DC 轉換后得到12 V 直流輸出并通過(guò)LTC4256 熱插拔保護模塊供給負載。同時(shí)該直流輸出經(jīng)過(guò)LTC1512 充電模塊穩流后對鋰電池組進(jìn)行充電。當系統工作在電池組供電模式時(shí)，鋰電池組通過(guò)LTC3780 放電模塊為負載提供12 V 直流供電。

圖1 系統整體方框圖

1.2 主控芯片

為了提高系統的集成度，設計采用內部集成AD 轉換功能單元的C8051F320 作為主控芯片。該芯片內含兩個(gè)外部中斷源(INT0,INT1)以及一個(gè)可編程計數器陣列(Programmable Counter Array,PCA)， 可以同時(shí)監測多路I/O 信號及產(chǎn)生方波控制信號。

主控芯片通過(guò)不斷讀取鋰電池組電壓、溫度、充電電流以獲知系統當前的運行狀況。當捕捉到市電掉電信號時(shí)，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(shí)現對負載的不間斷供電;當捕捉到市電來(lái)電信號時(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 市電檢測模塊

為了實(shí)現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(guò)PC817 型光耦將市電掉電信號接入主控芯片：當市電正常供電時(shí)，在光敏二極管的驅動(dòng)下，主控芯片的對應引腳直接被接地置低;當市電掉電時(shí)，光耦斷開(kāi)，對應引腳被3.3 V 電源置高。主控芯片通過(guò)中斷程序監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壓芯片組構成。設計采用電源選擇芯片LTC4416 實(shí)現內部電源選擇。電路如圖2 所示，開(kāi)關(guān)電源輸出為主電源，鋰電池組為從電源。其工作方式為：當市電供電時(shí)，LTC4416 通過(guò)E1 引腳判定主電源供電正常; 當開(kāi)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， 選擇鋰電池組對系統內部供電。電源選擇電路不僅保證了系統內部正常供電，也增加了電池組的工作時(shí)間。穩壓芯片組將選擇后的電源分別穩壓為5 V 和3.3 V,并提供給相應的模塊， 系統內部電源分配如圖3 所示。

圖2 LTC4416 電源選擇模塊電路

圖3 系統內部電源框圖

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、放電結束信號以及電池組溫度。

1.6 充電模塊及放電模塊

以L(fǎng)TC1512 為核心的充電模塊，通過(guò)電壓及電流反饋調節等方式將12 V 直流輸入轉換為16.8 V的恒流輸出向電池組充電。當電池組供電時(shí)，以L(fǎng)TC3780 為核心的放電模塊將電池組輸出穩壓為12 V 提供給負載。

為了實(shí)現對UPS 的智能化管理，系統需要對電池組電壓和充電電流進(jìn)行監測。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 轉換單元，處理得到當前電壓值。充電電流則通過(guò)將采樣電阻兩端的電壓分別送入ADC 單元轉換得到電壓差值，進(jìn)而推導出電流值。

1.7 熱插拔模塊

熱插拔保護即帶電插拔保護，允許用戶(hù)在不關(guān)閉系統、不切斷電源的情況下取出和更換硬盤(pán)、電源或板卡等部件。該UPS 電源優(yōu)點(diǎn)之一是集成以L(fǎng)TC4256 為核心的熱插拔保護模塊，從而提高系統對災難的及時(shí)恢復能力、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。