一份讓您愛(ài)不釋手的UPS設計方案，傾情奉上

縱觀(guān)近20年，全球共有數十起因停電而造成的重大事故。每次事故發(fā)生，都會(huì )嚴重影響到當地的居民生活水平。為了減輕因停電帶來(lái)的極端影響，UPS電源的需求逐年提高。

為什么我們需要UPS

UPS全名叫不間斷電源，顧名思義他是獨立于有線(xiàn)電源外的補給電源，是將鉛酸電池與UPS主機連接，通過(guò)主機逆變器等模塊電路將直流電轉換成市電的系統設備。它主要用于當電網(wǎng)出現故障停電時(shí)給重要高端設備、精密儀器、計算機網(wǎng)絡(luò )系統等提供穩定、不間斷的電力供應，使得重要的工作能夠正常進(jìn)行下去，避免因停電造成重大事故和損失。

如何設計強大的UPS電源

設計UPS之前需要了解UPS的工作原理。當市電正常時(shí)，UPS電源將市電穩壓后供應給負載使用，此時(shí)的UPS就是一臺交流市電穩壓器，同時(shí)它還向機內電池充電；當市電斷掉時(shí)，UPS電源立即將機內電池的電能，通過(guò)逆變轉換的方法向負載繼續供應交流電。這里芝子整理了一份UPS標準的系統框圖，如下所示：

圖1 UPS標準的系統框圖

例如風(fēng)能、太陽(yáng)能產(chǎn)生的電能通過(guò)電源調節器后作為有線(xiàn)電源輸入UPS系統中，此時(shí)DC-DC轉換裝置將電能降壓儲存在電池當中，此時(shí)電池處于正向充電狀態(tài)。一旦連接UPS的外界電源無(wú)法供給，UPS將會(huì )再次利用DC-DC轉換裝置將儲能電池電源升壓輸出，此時(shí)電池處于逆向放電狀態(tài)。值得一提的是在DC-DC裝置中采用了東芝研發(fā)的DTMOS系列的增強型MOSFET，如TO-220SIS封裝的TK25A60X，TK16A60W5等，TOLL封裝的TK110U65Z和TK190U65Z等。提升了RDS(on)×Qgd性能，同時(shí)具備二極管反向恢復特性。

圖2 UPS內部DC-DC轉換原理圖

如上圖所示，電池的存放電在USB塊保護電路、RS-232塊保護電路、顯示器塊保護電路，DC-DC-MCU信號傳輸電路共同協(xié)作下完成，這使得電源交互形成一個(gè)良好的閉環(huán)。

通過(guò)DC總線(xiàn)的直流電壓能夠很順利在DC-AC逆變裝置中被轉換輸出穩定的交流電，從而滿(mǎn)足交流用電器的日常電能開(kāi)銷(xiāo)。

圖3 UPS內部DC-AC轉換原理圖

為了更好的使得電路功率因素得到提高，進(jìn)一步減少電流和電壓之間的相位差造成的交換功率損失（無(wú)功功率損失），UPS系統中還額外增加了功率因素校正電路PFC，從而提升電力利用率。

圖4 UPS內部PFC電路原理圖

在東芝UPS系統方案中，采用了自研的ESD功能TVS管,包括封裝為SL2的DF2B6M4SL／DF2B20M4SL、CST2的DF2B5PC／DF2B7PCT，CST2C的DF2S14P2CTC從而防止電路故障，保護設備；同時(shí)為了更好的保護電路系統，加入了自研的光耦合器，具有高抗干擾能力，超高壓隔離，耐受高溫性能，包含封裝為SOL16L的TLP5214／TLP5231以及封裝為SO6L的TLP5754／TLP2761／TLP2768A進(jìn)行選型構建。在UPS的控制系統中嵌入了一顆以Cortex-M3為核心，工作頻率高達80MHz，具備3相PWM輸出和以太網(wǎng)功能的微控制器TMPM369FDFG／TMPM369FDXBG，以低功耗實(shí)現逆變控制和內部系統通信。使得整個(gè)UPS系統實(shí)現了完整的通信控制機制。同時(shí)考慮到MCU的工作環(huán)境，為了準確的傳遞控制信號到DC-DC裝置中，在其中間還額外增加了帶隔離屬性的放大器TLP7820，支持電壓5V供電電壓，在共模態(tài)模式下提供至少CMTI＝15kV/μs瞬變消除。

如何快速實(shí)現方案落地

東芝半導體提供完善的UPS設計構造解決方案，小至器件選型、模塊整合，大到系統架構、產(chǎn)品落地，東芝半導體都將為客戶(hù)提供一站式服務(wù)。更多關(guān)于器件選型和器件性能評估、以及整體設計理念敬請訪(fǎng)問(wèn)東芝半導體官方網(wǎng)站，來(lái)沉浸式體驗UPS的設計之路。