基于A(yíng)RM LPC2214的在線(xiàn)式UPS硬件設計

　　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，例如增加遠程監視、自動(dòng)診斷、識別、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。緊湊密集的空間設計給小型電子設備的應用帶來(lái)了新的解決方案。

　　將功能強大的嵌入式微處理器(本文選用LPC2214)系統引入UPS，可以增強UPS的功能，使其具有網(wǎng)絡(luò )化、智能化的特性，滿(mǎn)足許多無(wú)人職守基站的用電要求。用數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，有利于參數整定和調節；通用性強，便于通過(guò)改變程序軟件方便地調整方案和實(shí)現多種新型控制策略；同時(shí)高度集成的數字電路可以減少元件數目，簡(jiǎn)化硬件結構，降低開(kāi)發(fā)成本，并提高系統的可靠性。

　　2 系統硬件設計

　　無(wú)論市電正常與否，在線(xiàn)式UPS電源的逆變部分始終處于工作狀態(tài)。逆變器提供穩壓和調節功能，對電網(wǎng)供電起到“凈化”作用，同時(shí)具有過(guò)載保護功能和較強的抗干擾能力，供電質(zhì)量穩定可靠，在各種拓撲和配置結構的UPS類(lèi)型中使用較為普遍。因此本文設計方案采用三階轉換的拓撲結構，即AC-DC-AC。

　　2．1 系統組成及工作原理

　　系統結構框圖如圖1所示。當市電正常時(shí)，市電輸入UPS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。當市電斷電后，電池經(jīng)Boost拓撲升壓電路給總線(xiàn)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，主控芯片對數據進(jìn)行分析，依據設定的參數進(jìn)行判斷，作出相應的變化，并將生成的相關(guān)記錄信息存儲到NANDFlash中。遠程接口通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與上位機連接，用戶(hù)可以在監控中心進(jìn)行相關(guān)設定和遠程控制。

　　2．2 ARM主控模塊及驅動(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存儲器，128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最高時(shí)鐘頻率下運行；擁有豐富的外圍接口，如A／D轉換器、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)化硬件電路的設計，諸如A／D采集、PWM調制電路等；內部時(shí)鐘頻率可達60 MHz，A／D轉換時(shí)間低至2．44μs，完全可以滿(mǎn)足日益提高的UPS工作頻率和功能要求。PFC、DC／DC、DC／AC是系統中主要的能量轉換部分。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)對功能寄存器的配置，可設定占空比的大小和定時(shí)頻率的高低；實(shí)現6路單邊沿控制或3路雙邊沿控制的PWM輸出，或這兩種類(lèi)型的混合輸出；具有雙緩沖功能，滿(mǎn)足系統設計要求。PWM1、PWIVE驅動(dòng)PFC，PWM3驅動(dòng)Buck電池充電電路，PWM4驅動(dòng)Boost電池升壓電路，PWM5、PwM6驅動(dòng)逆變電路。由于LPC2214的I／O引腳輸出能力微弱，需要驅動(dòng)電路驅動(dòng)MOSFET功率管。驅動(dòng)電路采用間接式磁隔離電壓型驅動(dòng)電路。LPC2214驅動(dòng)PN2222(Q1)。當輸出高電平時(shí)，Q1導通，VCC電壓加在TP1初級，次級獲得感應電壓，此時(shí)電壓通過(guò)R1對VTP1柵極充電，使其導通。當LPC2214輸出低電平時(shí)，Q1關(guān)斷，變壓器TP1初級線(xiàn)圈由于電感的作用繼續阻礙電流的變化，產(chǎn)生感應電勢，使Q1的集電壓升高。D1、R2和C1組成吸收電路，將產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢吸收消耗，避免電壓升高擊穿Q1。變壓器的次級也產(chǎn)生感應電勢，QP1導通，使VTP1的柵極存儲電荷通過(guò)QP1釋放，加速VTP1的關(guān)斷。IGBT驅動(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根據采集到的數據進(jìn)行運算，控制PWM的占空比變化，使其輸出對應的方波。LPC2214的A／D模塊是19位逐次逼近式模／數轉換器，測量范圍為0～3 V，一個(gè)或多個(gè)輸入的Burst轉換模式；基本時(shí)鐘由VPB時(shí)鐘模式，可編程分頻器可將時(shí)鐘調整至逐步逼近轉換所需的4．5 MHz。電壓信號采集分為交流電壓取樣和直流電壓取樣兩種電路。交流電壓的信號經(jīng)電阻分壓為-1．5～+1．5 V的信號。通過(guò)運算放大電路加負電壓偏置，將采樣信號平移到0～3 V的范圍內，滿(mǎn)足A／D的采集范圍。直流電壓信號(如400 V總線(xiàn))和電池電壓經(jīng)分壓電路降壓后，直接進(jìn)入A／D轉換器的采集端。

　　電流信號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／電壓轉換。交流電流產(chǎn)生的電壓信號降壓后同樣經(jīng)負電壓偏置后接入對應的A／D轉換器采集端口。直流電流對應的電壓信號采集經(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。

　　除上述介紹的采集信號外，還有電池溫度、環(huán)境溫度、相位檢測等與UPS使用、管理、維護相關(guān)的信號參數。根據采集參數的不同，有各自應用的電路。

　　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)，相應地需要兩種電壓的電源。本設計采用的低壓差線(xiàn)性穩壓器LDO為T(mén)I公司的TPS73xx系列穩壓器，將5 V電壓穩壓成主控芯片的3．3 V和1．8 V。TPS73xx系列芯片是雙路輸出，輸出電流可達250 mA，內部集成電壓監控器監視器，噪聲低，負載／線(xiàn)路瞬態(tài)響應優(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設計的反激式開(kāi)關(guān)電源。反激式開(kāi)關(guān)電源設計輸入電壓為AC 85～265 V。當市電正常供電時(shí)，使用市電；當市電電網(wǎng)斷電時(shí)，由電池的電壓向反激式開(kāi)關(guān)電源供電，生成電路中應用的低壓直流電源。

　　2．5 工作存儲模塊

　　工作存儲模塊采用NAND Flash K9F2G16U0M。其內部采用非線(xiàn)性宏單元模式，固態(tài)大容量存儲；容量為256 MB，采用頁(yè)寫(xiě)模式；通過(guò)并行數據接口連接到數據總線(xiàn)，可以快速地進(jìn)行存儲或讀取。

　　工作信息分為環(huán)境信息和系統信息。環(huán)境信息有電網(wǎng)電壓、環(huán)境溫度等；系統信息有輸入電流、輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、充電電壓、電池信息、斷電次數、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。為了數據移動(dòng)方便，在總線(xiàn)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(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )監控將存儲模塊中的數據上傳，或者用移動(dòng)數據存儲設備將數據拷貝。如圖5所示，工作時(shí)將數據存儲到K9F2G16U0M中。當檢測到USB有外接時(shí)，將當前存儲的數據打包，通過(guò)USB接口發(fā)送數據。

　　2．6 網(wǎng)絡(luò )接口模塊

　　UPS系統在向網(wǎng)絡(luò )化、智能化發(fā)展，所以在主控模塊電路中設計了網(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公司推出的獨立以太網(wǎng)控制器。符合。IEEE802．3協(xié)議，內置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(xiàn)方式；具有8 KBFlash存儲器，可對其靈活編程。遠程接口不僅可以向用戶(hù)提供遠程監控等服務(wù)，同時(shí)也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口將系統軟件升級。圖6中，FC-518LS隔離器將網(wǎng)絡(luò )與主控芯片電氣隔離，保護系統不受網(wǎng)絡(luò )中的雜波信號干擾，提高系統的穩定性。

　　3 結 論

　　基于LPC2214的數字化UPS，簡(jiǎn)化了電路的硬件設計，降低了硬件成本，提高了UPS的可靠性，擴大了升級空間和產(chǎn)品的多樣性。通過(guò)搭建實(shí)驗性電路與程序的結合，驗證了設計的正確性，為后續研究提供了一定的實(shí)驗基礎。