小型UPS不间断电源的设计

南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文） 学 院：电子与电气工程学院 专 业： 自 动 化 学 生： 罗 雯 涛 指导教师： 高 有 堂 完成日期 2014 年 5 月 南阳理工学院本科生毕业设计（论文） 小型 UPS 不间断电源的设计 Design of Small UPS Uninterruptible Power Supply 总 计： 20 页 表 格： 0 个 插 图 ： 9 幅 南南 阳阳 理理 工工 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 小型 UPS 不间断电源的设计 Design of Small UPS Uninterruptible Power Supply 学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 自动化 学 生 姓 名： 罗雯涛 学 号： 105151140271 指 导 教 师（职称）： 高有堂（教授） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology 小型 USP 不间断电源的设计 小型小型 UPSUPS 不间断电源的设计不间断电源的设计 自动化专业 罗雯涛 摘摘 要要 本设计完成了 UPS 不间断电源的设计，主要目的是为了解决小型设备持 续工作问题。在市电有电情况下，由市电给设备供电，当市电断电情况下，UPS 立即 自动切换到 UPS 供电，本文主要通过采用集成充电管理芯片来完成系统供电管理，利 用集成升压芯片来完成系统电压转换，外加自主设计的保护电路，共同组成了整个 UPS 系统。最终设计出的 UPS 不间断电源，基本能满足多数小型用电器设备的工作需 求，完成了小型 UPS 不间断电源的设计。 关键词关键词 UPS 电源；充电管理；升降压；系统保护 Design of Small UPS Uninterruptible Power Supply Automation Specialty LUO Wen-tao Abstract: This design completed the UPS uninterruptible power supply design. The main purpose is to solve the problem of small equipment continues to work. In the case of mains electricity, to equipment by mains power supply. When the utility power case, UPS immediately switch to UPS power supply. In this paper, by adopting integrated charging management chip to complete the system of power supply management. Using the integrated booster chip to complete the system voltage conversion. Plus the independent design of protection circuit, constitute the whole UPS system. The final design of UPS uninterruptible power supply, basic can meet the job requirements of the electrical equipments used in most small. Completed the design of small UPS uninterruptible power supply. Key words: UPS power supply; charging management; lifting pressure; system protection 小型 USP 不间断电源的设计 目 录 1 引言.1 1.1 UPS 概况 .1 1.2 国内外研究现状和发展趋势.2 1.3 论文组织结构安排.3 2 系统总体设计3 2.1 UPS 不间断供电原理 .3 2.2 UPS 的分类 .4 2.3 各种 UPS 的特点.6 3 小型 UPS 不间断电源硬件的设计7 3.1 升压电路设计.7 3.1.1 MC34063 芯片简介 7 3.1.2 Boost 升压电路 9 3.2 充电管理电路.9 3.2.1 SUN4004 芯片简介 9 3.2.2 充电管理电路的设计.11 3.3 输入欠压保护电路的设计13 3.3.1 欠压保护简介.13 3.3.2 欠压保护电路的设计.13 4 系统调试结果与分析.14 4.1 UPS 主要性能指标 14 4.2 调试方法15 4.3 系统调试结果与分析16 4.3.1 升压电路的调试.16 4.3.2 充电管理电路的调试与结果分析.16 结束语.17 参考文献.18 附录.19 致谢.20 小型 USP 不间断电源的设计 1 1 引言 近年来，微型计算机已被广泛用于办公自动化、工程设计、数据处理与通信、工 业自动控制等领域。为保证微型计算机工作的稳定可靠、数据信息的安全，避免因电 网供电中断而导致随机存贮器中数据丢失和程序破坏、磁盘盘面及磁头损坏等难以弥 补的损失，越来越多的 UPS 电源已进入各种不同的计算机房。目前市场上所售 UPS 电 源有几种类型， 但其性能不同，价格也相差较大。 但目前市面上小型 UPS 电源还不完善，针对此情况，本文设计了专门针对小型设 备的小型 UPS 不间断电源。 1.1 UPS 概况 UPS（Uninterruptible Power System） ，即不间断电源，是一种含有储能装置（主要 由蓄电池构成） ，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。它的最初诞生， 源自早期计算机系统的备用电源。由于当时的电脑多为巨型机，因此它们的耗电量极 大，经常会令主发电机（或供应站）过载，这时，备用的发电机（也称备用电源）就 工作以帮助主发电机完成供电，以保证当时许多的大型任务的完成。后来，当个人电 脑兴起的时候，越来越多的人开始拥有了自己的台式机。其中，有相当一部分用户是 商业用户，他们常常会使用计算机进行大型的演算或是超长时间工作。但是，由于当 时的电力网络并不完善，因此相当多的计算机会因为突然断电而丢失数据，这令这些 商业用户懊恼不已，因此他们就迫切需要一种电源来维持机器的延续以减少损失。而 更为重要的是，台式机的工作方式与巨型机已经有了本质上的区别，因此无法为其配 备后备式发电机。 那么，有什么办法可以解决这个问题呢？一个厂商（据说是 APC）试着推出了一 种叫“UPS”的产品，这一试验性的产品立刻引起了计算机界的轰动。它采用了一种全新 的工作方式：当市电输入正常时，UPS 将市电进行稳压后供应给计算机系统使用，同 时它还对机内电池进行充电；当市电因种种中断时，UPS 立即将机内电池的电能，通 过逆变转换的方法向负载继续供应 220V 交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、 硬件不受损坏。 由于这种产品可以保证在计算机遭遇停电之时，为计算机提供一小段时间以方便 其工作，这就比较完整地解决了那些用户遇到的问题。所以，在这种产品上市之日起， 它就一直成为电脑的标准配置。甚至，在相当长一段时间里，这种产品始终与一些特 定台式电脑进行捆绑销售，而它们也是最早进入我国市场的电脑产品。早在中关村刚 刚成立之时，UPS 就是第一批进驻村里的居民。掐指算来，已经有十多年时间。在这 十几年的发展中，它已经从单一的单机 UPS，发展成集巨型、网络、智能、远程监控 小型 USP 不间断电源的设计 2 于一体的完整产品系列，适用用户也涵盖了社会的所有行业。 1.2 国内外研究现状和发展趋势 UPS 原本是一种使用范围很广泛的保障电力供应的设备，而在近几年来已经转化 为以保护各类计算机系统为主要用途的设备，UPS 在 IT 行业发挥着越来越重要的作用， 被人们誉为计算机信息的保护神。 在世界迈进信息时代之后，信息的安全问题已经被人们广泛关注，因此，在这种 时代背景中，UPS 的发展趋势引起业界的高度重视就是顺理成章的事了。 有了 UPS 的精心呵护，计算机系统的数据安全性大大提高了，因此，UPS 的问世 深受广大用户的青睐最早问世的 UPS 只是一个带有大飞轮的发电机组，其缺点是转换 效率极低，后来被柴油发动机式的发电机所取代。目前，这种旋转发电型 UPS 还在某 些特殊的领域有着它的特定的用途，其容量高达 1000KVA。 在半导体技术发展的过程中，科学家们将半导体技术应用到 UPS 的制造中，发明 了新型的静止变换式 UPS 它比旋转式 UPS 更先进。初期的静止变换式 UPS，其功率器 件由可控硅制成，美国的 Emerson、法国的 Alpes4000 等 UPS 产品，其功率器件都是 可控硅。功率晶体管的开发成功，在小容量 UPS 中得到了广泛的应用。 功率 MOS 管已在大容量 UPS 中广为应用，但功率 MOS 管难以达到高电压大电流， 其饱和压降高于晶体管，于是，兼有晶体管和功率 MOS 管优点的绝缘门限晶体管 （IGBT）应运而生，促使 UPS 逆变技术更趋成熟目前 UPS 制造商们都在争先采用 IGBT。当然任何器件都不十全十美，比如 IGBT 有寄生的电流掣住效应，在一定程度 上也限制了它的使用。UPS 控制电路也发展很快，由开始的分立元件的简单控制发展 到今天的微处理机控制，由硬件控制又发展成软件控制，如 IPM 的软件滤波器；甚至 光纤通讯也被引入 UPS，如意大利西力 UPS 的并联就采用了光纤通讯。而且微处理机 也被广泛应用于小容量的 UPS 中，甚至有的专门为蓄电池的监控设立了微处理机，如 美国的 APC 在每个小电池箱中都安装了微处理机，以监视这些电池的状态,UPS 已经由 初期的单纯供电发展到目前的多功能应用，UPS 不再仅仅是供电电源，而且当那些作 为负载的计算机在无人值守时，要求 UPS 自动地定时开机，定时关机，当市面上电故 障后，UPS 还可以及时通知计算机并可按照事先的约定顺序关机，如 APC、UPS 除了 其联网功能外还可以对环境温度、湿度和烟雾进行监视，并且有好多 UPS 都可通过联 网及远程通讯进行远程监控等等。UPS 除了上述的旋转发电机式和静止变换式而外， 还有一种将二得结合起来的 UPS，称为 UBS，即是在一台静止式 UPS 上配置一台直流 发电机，直流发电机给蓄电池充电，使 UPS 逆变器的工作继续维持下去，如 Best 的 UBS，也有一定的效力领域。 静止变换式 UPS，一般都分为后备式和在线式，这两种 UPS 的结构大致相同。其 小型 USP 不间断电源的设计 3 主体结构都主要包括：整流（充电）器、蓄电池、逆变器和转换开关等四个部分。二 者的区别主要是工作方式不同，后备式 UPS 只有在市电异常时才启动逆变器，而在线 式 UPS 的逆变器则自始至终都在工作；后备式 UPS 有着效率高，价格低廉的优点，但 供电质量差一些，而在线式 UPS 虽然供电质量高，但价格比后备式贵得多。 目前, UPS 厂商们新推出的多种新产品,包括多种不间断电源供应技术,电源管理软 件以及连接装置,都不会由于电源冲击、浪涌、陡降、电力不足和电力中断等问题而使 受保护的重要信息资源遭受损失。 在小型 UPS 不间断电源方面，近来伊顿推出的新产品 9PX 系列小型 UPS，爱克赛 小型 UPS 产品，北京博大精创科技有限公司推出的户外小型 UPS 电源等，种类繁多。 1.3 论文组织结构安排 论文围绕小型 UPS 不间断电源的设计展开论证。第 1 章已经从 UPS 不间断电源的 研究意义、国内外研究状况进行了阐述。第 2 章主要从系统各部分原理和技术指标进 行介绍。第 3 章从各部分硬件设计进行了详细阐述。然后第 4 章从总结了各部分调试 结果和分析。整个组织结构图如图 1 所示。 UPS 研究 现状总结 各部分原理 和技术指标 各部分 硬件设 计 调试结 果分析 图 1 组织结构图 2 系统总体设计 2.1 UPS 不间断供电原理 UPS 不间断电源由整流器、逆变器、交流静态开关和蓄电池组组成。平时，市电 经整流器变为直流，对蓄电池浮充电，同时经逆变器输出高质量的交流纯净的电源供 重要负载，使其不受市电的电压、频率、谐波干扰。当市电因故停电时，系统自动切 换到蓄电池组，蓄电池放电，经逆变器对重要设备供电。 UPS 的不间断特性，体现在其转换时间工作程序上，当市电与逆变器进行切换时， 其控制系统会适时地检测市电的同步范围，在市电不超限时，逆变器实现“先通后断” 的供电，从而保证了供电系统的“不间断切换” 。UPS 不间断电源供电原理图如图 2 所 示。 小型 USP 不间断电源的设计 4 图 2 UPS 不间断供电原理图 2.2 UPS 的分类 （1）按其工作原理分 UPS 电源可分为后备式、在线式以及在线互动式三种。 后备式 UPS 平时处于蓄电池充电状态，在停电时逆变器紧急切换到工作状态，将电池提供的 直流电转变为稳定的交流电输出，因此后备式 UPS 也被称为离线式 UPS。后备式 UPS 电源的优点是：运行效率高、噪音低、价格相对便宜，主要适用于市电波动不大，对 供电质量要求不高的场合，比较适合家庭使用。然而这种 UPS 存在一个切换时间问题， 因此不适合用在关键性的供电不能中断的场所。不过实际上这个切换时间很短，一般 介于 2 至 10 毫秒，而计算机本身的交换式电源供应器在断电时应可维持 10 毫秒左右， 所以个人计算机系统一般不会因为这个切换时间而出现问题。后备式 UPS 一般只能持 续供电几分钟到几十分钟，主要是让您有时间备份数据，并尽快结束手头工作，其价 格也较低。对不是太关键的电脑应用，比如个人家庭用户，就可配小功率的后备式 UPS。 在线式 UPS 这种 UPS 一直使其逆变器处于工作状态，它首先通过电路将外部交流电转变为直 流电，再通过高质量的逆变器将直流电转换为高质量的正弦波交流电输出给计算机。 在线式 UPS 在供电状况下的主要功能是稳压及防止电波干扰；在停电时则使用备用直 小型 USP 不间断电源的设计 5 流电源（蓄电池组）给逆变器供电。由于逆变器一直在工作，因此不存在切换时间问 题，适用于对电源有严格要求的场合。在线式 UPS 不同于后备式的一大优点是供电持 续长，一般为几个小时，也有大到十几个小时的，它的主要功能是可以让您在停电的 情况可像平常一样工作，显然，由于其功能的特殊，价格也明显要贵一大截。这种在 线式 UPS 比较适用于计算机、交通、银行、证券、通信、医疗、工业控制等行业，因 为这些领域的电脑一般不允许出现停电现象。 在线互动式 UPS 这是一种智能化的 UPS，所谓在线互动式 UPS，是指在输入市电正常时，UPS 的 逆变器处于反向工作（即整流工作状态） ，给电池组充电；在市电异常时逆变器立刻转 为逆变工作状态，将电池组电能转换为交流电输出，因此在线互动式 UPS 也有转换时 间。同后备式 UPS 相比，在线互动式 UPS 的保护功能较强，逆变器输出电压波形较好， 一般为正弦波，而其最大的优点是具有较强的软件功能，可以方便地上网，进行 UPS 的远程控制和智能化管理。可自动侦测外部输入电压是否处于正常范围之内，如有偏 差可由稳压电路升压或降压，提供比较稳定的正弦波输出电压。而且它与计算机之间 可以通过数据接口（如 RS-232 串口）进行数据通讯，通过监控软件，用户可直接从电 脑屏幕上监控电源及 UPS 状况，简化、方便管理工作，并可提高计算机系统的可靠性。 这种 UPS 集中了后备式 UPS 效率高和在线式 UPS 供电质量高的优点，但其稳频特性 能不是十分理想，不适合做常延时的 UPS 电源。 （2）按其结构分 UPS 一般分为直流 UPS(DC-UPS)和交流 UPS(AC-UPS)两大类。 直流 UPS 直流不间断电源由两个基本单元组成。分别是整流器、蓄电池。 其工作过程是：当市电正常时，电流通过整流器向负载供电，同时整流器给蓄电 池充电。电流路径是 1 路市电整流器负载，2 路路市电整流器蓄电池。 当市电故障或整流器故障时，通过控制电路自动切换使蓄电池为负载供电，电流流向 为蓄电池负载。 交流 UPS 交流 UPS 电源由三个基本单元组成。分别是整流器、蓄电池和逆变器。 其工作过程是：当市电正常时，电流通过整流器、逆变器向负载供电，同时整流 器给蓄电池充电。电流路径是 1 路：市电整流器逆变器负载，2 路：市电 整流器蓄电池。当市电故障或整流器故障时，通过控制电路自动切换使电池 为负载供电，电流流向为蓄电池逆变器负载。 （3）从备用时间分 UPS 分为标准型和长效型两种。 小型 USP 不间断电源的设计 6 一般来说，标准型机内带有电池组，在停电后可以维持较短时间的供电（一般不 超过 25 分钟） ；长效型机内不带电池，但增加了充电器，用户可以根据自身需要配接 多组电池以延长供电时间，厂商在设计时会加大充电器容量或加装并联的充电器。 （4）其他分类 此外,UPS 的分类还有其他一些简单的分类，比如从组成原理分为旋转型 UPS 和静 止型 UPS；从应用领域分为商业用 UPS 和工业用 UPS；从输出电压的相数分为单相 UPS 和三相 UPS；从容量分为大容量 UPS（大于 100KVA） 、中容量 UPS（10-100 KVA）和小容量 UPS（小于 10 KVA） 。 2.3 各种 UPS 的特点 （1）在线式正弦波输出 UPS 电源 由于在线式 UPS 电源在任何情况下都是由 UPS 电源的逆变器提供的，这就从根 本上消除了来自市电电网的任何电压波动和干扰对负载工作的影响，且市电中断时， UPS 内部无任何转换动作，对负载供电的转换时间为零。当市电变化范围为 180 250V 时，电压稳定度为 200V3 ，频率稳定度为 50Hz1。 波形失真系数最小， 一般均在3 的范围内。 具有优良的输出电压瞬变特性。一般在 100负载加载或 100负载减载时，其 输出电压变化满足中国设备管理 20002 范围为 10左右的规定， 变化持续时间一 般为 13 个周波。 控制线路由于采用了输入变压器、输出变压器及光电耦合器件等技术手段， 将 “强电” 驱动部分与“弱电” 控制部分隔离开来，极大地提高了线路工作的可靠性。 （2）后备式正弦波输出 UPS 电源 由于采用了抗干扰式分线调压稳压技术，当市电电压在 180220 伏之间变化时， 能向负载输出 220 伏5左右的抗电两高频干扰的稳压电源。但仅在由蓄电池供电时， 才能向负载提供高质量无干扰的正弦交流电。 正弦波形失真系数可达到 5左右。当负载过轻时，失真系数将有所增大， 因此， 所带负载应不小于额定值的 30 。 由于采用了 50Hz 市电同步技术，一定程度上解决了在市电 逆变器供电之 间相互转换时出现的交流电同步转换问题。 （3）后备式方波输出 UPS 电源的特点 由于采用了抗干扰分级调压稳压技术，因此，市电电压在 180250V 变化时能向 负载提供抗电两干扰的稳压电源， 电压稳定度为 220V5 左右。当市电供电中断 时，它向负载提供方波电压输出的有效值的稳定度仍可达到 220V5的要求。 小型 USP 不间断电源的设计 7 逆变输出的方波脉冲宽度和峰值是负载电流的函数，UPS 电源的负载越重， 方 波脉冲的宽度越大，峰值越小。轻载则反之。因此在刚从市电供电转换到逆变器供电 的瞬间，负载会承受相当严峻的电压冲击， 同时，方波输出中包含有大量的高次谐波 分量。所以， 相对于正弦波输出的 UPS 电源而言，负载的整流滤波电容将要承受到 较大的容性电流冲击。 由于没有采取任何与市电同步技术， 因此，在市电 逆变器供电转换过程中， 有可能出现瞬时的交流电短路现象。而且，UPS 电源的转换时间长短带有很大的偶然 性，其变化范围在 49ms 之间。 不允许带任何电感性负载，否则不能使其技术性能得到保证， 重则有损坏电源 本身的危险。此外，不能进行频繁的启闭操作，关闭与起动操作的时间间隔不应小于 6s。 3 小型 UPS 不间断电源硬件的设计 UPS 电源系统由五部分组成：主路、旁路、电池等电源输入电路，进行 AC/DC 变 换的整流器（REC） ，进行 DC/AC 变换的逆变器（INV） ，逆变和旁路输出切换电路以 及蓄能电池。其系统的稳压功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高频 开关整流器，本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能，从而当外电发生变化 时（该变化应满足系统要求） ，输出幅度基本不变的整流电压。净化功能由储能电池来 完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电 池除可存储直流直能的功能外，对整流器来说就像接了一只大容器电容器，其等效电 容量的大小，与储能电池容量大小成正比。由于电容两端的电压是不能突变的，即利 用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰，起到了净化功能，也称对干扰的屏蔽。 频率的稳定则由变换器来完成，频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。为 方便 UPS 电源系统的日常操作与维护，设计了系统工作开关，主机自检故障后的自动 旁路开关，检修旁路开关等开关控制。 在电网电压工作正常时，给负载供电，而且，同时给储能电池充电；当突发停电 时，UPS 电源开始工作，由储能电池供给负载所需电源，维持正常的生产；当由于生 产需要，负载严重过载时，由电网电压经整流直接给负载供电。 3.1 升压电路设计 3.1.1 MC34063 芯片简介 34063 是一单片双极型线性集成电路，专用于直流直流变换器控制部分，片内包 含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关、 小型 USP 不间断电源的设计 8 能输出 1.5A 的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变 换器和电源反向器。 特点： （1）能在 3.0 40V 的输入电压下工作 （2）短路电流限制 （3）低静态电流 （4）输出开关电流可达 1.5A(无外接三极管) （5）输出电压可调 （6）工作振荡频率从 100HZ 至 100KHZ （7）可构成升压 降压或反向电源变换器 MC34063 内部结构图如图 3 所示。 图 3 MC34063 内部结构图 振荡器通过恒流源对外接在 CT 管脚(3 脚)上的定时电容不断地充电和放电，以产 生振荡波形，充电和放电电流都是恒定的，所以振荡频率仅取决于外接定时电容的容 量，与门的 C 输入端在振荡器对外充电时为高电平，D 输入端在比较器的输入电平低 于阈值，电平时为高电平，当 C 和 D 输入端都变成高电平时，触发器被置为高电平， 输出开关管导通。反之，当振荡器在放电期间，C 输入端为低电平，触发器被复位， 使得输出开关管处于关闭状态。 小型 USP 不间断电源的设计 9 电流限制 SI 检测端(5 脚)通过检测连接在 V+和 5 脚之间电阻上的压降来完成功能 当检测到电阻上的电压降接近超过 300mV 时，电流限制电路开始工作，这时通过 CT 管脚(3 脚)对定时电容进行快速充电，以减少充电时间和输出开关管的导通时间，结果 是使得输出开关管的关闭时间延长。 工作原理： 由于内置有大电流的电源开关，34063 能够控制的开关电流达到 1.5A。内部线路包 含有参考电压源、振荡器、转换器、逻辑控制线路和开关晶体管。 参考电压源是温度补偿的带隙基准源。振荡器的振荡频率由 3 脚的外接定时电容 决定.开关晶体管由比较器的反向输入端和与振荡器相连的逻辑控制线路置成 ON，并 由与振荡器输出同步的下一个脉冲置成 OFF。 3.1.2 Boost 升压电路 MC34063 内部振荡器通过恒流源对外接在 CT 管脚(3 脚)上的定时电容不断地充电 和放电，以产生振荡波形，充电和放电电流都是恒定的，所以振荡频率仅取决于外接 定时电容的容量，内部 SR 锁存器与门的 C 输入端在振荡器对外充电时为高电平，D 输入端在比较器的输入电平低于阈值，电平时为高电平，当 C 和 D 输入端都变成高电 平时，触发器被置为高电平，输出开关管导通（图示 Q3） 。反之，当振荡器在放电期 间，C 输入端为低电平，触发器被复位，使得输出开关管处于关闭状态（图示 Q3） 。 电流限制 SI 检测端(5 脚)通过检测连接在 V+和 5 脚之间电阻上的压降来完成功能 当检测到电阻上的电压降接近超过 300mV 时，电流限制电路开始工作，这时通过 CT 管脚(3 脚)对定时电容进行快速充电，以减少充电时间和输出开关管的导通时间，结果 是使得输出开关管的关闭时间延长。Boost 升压电路原理图如图 4 所示。 图 4 Boost 升压电路原理图 小型 USP 不间断电源的设计 10 3.2 充电管理电路 3.2.1 SUN4004 芯片简介 SUN4004 芯片详细引脚说明如表 1 所示。 表 1 SUN4004 引脚描述 引脚名称引脚序号I/O引脚功能 LEDS1O充电状态指示，在充电过程中，该引脚被下拉到 VSS；充电结束后，呈高阻 态 DRN2O输出驱动，与内部的驱动管 D 端相连 VSS3PWR接地端，与供电电源和电池负极相连 BAT4I电池电压检测输入端，与电池相接时需串接 330680 欧姆电阻，同时电池两 端需用一个 10F 的电容去耦 RG5I调整管驱动端，需用 1K 电阻上拉到 VCC CS16I充电电流控制端，可设置预充电和恒定电流充电的电流 LEDT7I/O充电结束后，该引脚被下拉到 VSS，可以用来作为充电结束指示 VCC8PWR电源端与供电电源的正极连接，该引脚需用一个 10F/16V 的电容去耦 芯片特点： （1）8.4V 双节锂离子或锂聚合物电池充电器的理想控制电路； （2）高于 1%的电压精度； （3）恒定电流充电，充电电流可调； （4）恒定电压充电过程； （5）自动再充电过程； （6）电池饱和结束电压可调； （7）双 LED 充电状态指示； （8）电池不正常状态的检测； （9）电源电压低时，处于低功耗的 Sleep 模式，电池漏电流极小； （10）极少的外围元器件； （11）小型化的 SOP8 封装； SUN4004 是一款专门为高精度的线性锂电池充电器而设计的电路，非常适合那些 低成本、便携式的充电器使用。它集高精度预充电、恒定电流充电、恒定电压充电、 电池状态检测、充电结束低泄漏、充电状态指示等性能于一身，可以广泛地使用于 EPC、移动多媒体、手持设备等领域。SUN4004 通过检测电池电压来决定其充电状态： 预充电、恒流充电、恒压充电。当电池电压小于阈值电压 VMIN（一般为 6V）时， 小型 USP 不间断电源的设计 11 处于预充电状态，以较小的电流对电池进行充电，预充电的电流可以通过外部电阻进 行调整。预充电使电池电压达到 VMIN 后，进入恒定电流充电的快速充电状态，充电 电流 IREG 可以通过外围电阻 R1 调整，恒定电流充电使电池电压上升到恒定电压充 电电压 VREG（一般为 8.4V） 。然后进入恒定电压充电状态，充电电压的精度优于1%， 在该状态下，充电电流将逐渐减小，当充电电流小于阈值 ITERM，充电结束。充电结 束后，将始终对电池电压进行监控，当电池电压小于阈值 VRECHG（一般为 VREG250mV）时，对电池进行再充电，进入下一个充电周期。 SUN4004 还可以通过调节外围电阻来提高电池饱和结束电压，可以设到需要的电 压点。 3.2.2 充电管理电路的设计 SUN4004 通过检测电池电压来决定其充电状态：预充电、恒流充电、恒压充电几 个过程，具体充电过程中的电流、电压曲线如图 5 所示。 图 5 充电过程中的电压、电流曲线 （1）预充电 SUN4004 检测到如下两种情况之一即开始进入充电周期： a）加上适当的电源后（VCC8.4V） ，插上锂电池（VBATVRECHG） ； b）已经插上锂电池（VBATVREG） ，然后加上适当的电源（VCC8.4V） ； 如果锂电池的初始电压低于预充电阈值 VMIN，则首先进入预充电阶段。 小型 USP 不间断电源的设计 12 IPRECHG 相对于恒定电流充电时的电流来说是比较小的，这是因为当电池电压 VBAT 较小时，如果用大电流对其进行充电，会存在安全上的隐患；同时，当电池电 压 VBAT 低时，在内部调整管 Q1 上的压降较大，减小电流对降低 Q1 的功耗也是非 常有利的。电流计算公式：IPRECHGVCSPRE/R1 注意，在情况 a）中，如果电池电 压 VBAT 大于再充电阈值 VRECHG，SUN4004 不会立刻进入充电阶段，它必须等到 VBATVRECHG 后，由于需再充电而进入下一个充电周期；在情况 b）中，只要电 池电压 VBAT 小于阈值 VREG，无论其是否大于 VRECHG，SUN4004 都会立刻进入 充电阶段，直至充电结束。 （2）恒定电流充电 当电池电压达到 VMIN 时，电池将进入下一个充电阶段：恒定电流充电。其充电 电流由 IREGVCSREG/R1 来确定。因此，通过调整电阻 R1 即可获得希望得到的充 电电流。 （3）恒定电压充电 随着恒定电流充电的进行，电池电压上升，当电池达到一定电压（VREG）时，即 进入恒定电压充电阶段。在此阶段，电池电压不再上升，被恒定在 VREG，且充电电 流逐渐减小。 （4）充电结束 在恒定电压充电阶段，充电电流逐渐减小，当电流减小到 ITERMVCSTERM/R1 时，电池充电结束，同时，充电电流降为零。 （5）充电指示 SUN4004 有两个充电指示端：LEDS 端和 LEDT 端。LEDS 为充电状态指示，一 般通过红色发光管 Red 连接到 VCC，在预充电、恒定电流充电、恒定电压充电阶段， LEDS 为低电平，Red“亮” ；当电池状态不正常（VBATVBSC Red“闪烁”充电结 束后，LEDS 呈高阻态，Red“灭” 。LEDT 作为充电结束指示端，可以通过绿色发光 管 Green 连接到 VCC，在充电过程中，其电压接近于 VCC，Green“灭” ；充电结束后， LEDT 端为低电平，Green“亮” 。 （6）SLEEP 模式 当电源电压 VCC 低于电池电压时，SUN4004 将进入低功耗的 Sleep 模式，电池 有极小的漏电流输出。 （7）电池不正常状态的提示 当电池电压 VBAT 低于 VBSC 时，SUN4004 认为电池存在“短路”的可能性， 此时， Red“闪烁”用来提醒用户，但充电过程继续进行，如果充到可以使 VBAT 大 于 VBSC，则 Red 停止“闪烁” ，变为“亮” ，继续充电。 （8）再充电 小型 USP 不间断电源的设计 13 充电结束后，电池电压 VBAT 应等于 VREG，Red“灭” ，Green“亮” ，表示处于 充电结束阶段；但是，如果电池电压 VBAT 下降到再充电阈值 VRECHG 时， SUN4004 会自动进入再充电阶段，开始下一个充电周期，同时，指示二极管 Red“亮” ， Green “灭” ，表示又重新处于充电阶段。IPRECHGVCSPRE/R1 （9）R8 的确定 通过 R8 可以调节充电电池结束电压值，把电阻调大就可以提高电池饱和电压。 利用 SUN4004 设计的充电管理电路原理图如图 6 所示。 图 6 充电管理电路原理图 充电管理电路芯片是通过 4 引脚检测电池电压，内部判断电压大小，当电压超过 一定阀值，便对外部引脚进行操作控制输出的连接。 3.3 输入欠压保护电路的设计 3.3.1 欠压保护简介 由于短路故障等原因，线路电压会在短时间内出现大幅度降低甚至消失的现象。 它会给线路和电器设备带来损伤。 在电机驱动、UPS 等系统中电压的稳定尤为重要，欠压、过压保护是必不可少的， 因此通过在芯片内部集成过压、欠压保护电路来提高电源的可靠性和安全性。对功率 集成电路，为提高电路的可靠性，保护电路同样必不可少。保护电路的设计要简单、 实用，本文设计的欠压保护电路，因为针对的用电器都是小型用电器，电路结构简单， 工艺实现容易。 3.3.2 欠压保护电路的设计 对于一个完整的电子产品来说，都有其相应的电路来保证产品工作的稳定，以及 经得起时间考验，比如我们常见的过压、过流保护、欠压保护，本系统为了保护蓄电 池组，使蓄电池不至于长时间工作而被损坏，设计了欠压保护电路原理图如图 7 所示。 小型 USP 不间断电源的设计 14 图 7 欠压保护电路原理图 图示中，VCC9 节点为输出电压，VCC7.2 节点为输入电压，调节左边滑动变阻器 使得三极管基极电压为保护电压，假设为 6V，如果输入电压低于基极电压 6V，则此 三极管导通，导通后促使光电耦合器导通，光电耦合器导通后，则 PCR606 晶闸管导 通，导通后 BH 节点被拉低。促使升压电路中的输出地断开，此时用电器便被断开。 4 系统调试结果与分析 4.1 UPS 主要性能指标 硬件性能指标主要有： （1）工作方式：在线、在线交互、后备。 （2）输入电压范围：即保证 UPS 不转入电池逆变供电的市电电压范围。在此电压 范围内，逆变器（负载）电流由市电提供，而不是电池提供。输入电压范围越宽， UPS 电池放电的可能性越小，故电池的寿命就相对延长。 （3）输入频率范围：即 UPS 能自动跟踪市电、保持同步的频率范围。当切换旁路 时，UPS 能自动跟踪市电、保持同步可避免因输入输出相位差开甚至反相，引起逆变 器模块电源和交流旁路电源间出现大的环流电源而损害 UPS。 （4）输入功率因数：指 UPS 输入端的功率因数。输入功率因数越高，UPS 所吸收 的无功功率越小，因而对市电电网的干扰就越小。一般 UPS 只能达到 0.9 左右。 （5）输出功率因数：指 UPS 输出端的功率因数。如果有非计算机负载，越大则带 载能力越强。一般 UPS 为 0.8 左右。 （6）过载能力：越大，表示逆变器能力越好。 （7）切换时间：由于计算机开关电源，在 10ms 的间隔时间能保证计算机的输出， 因此一般要求 UPS 切换时间小于 10ms，对于在线 UPS 切换时间为 0。 小型 USP 不间断电源的设计 15 （8）输出电压稳定度：指 UPS 输出电压的稳定程度。输出电压稳定程度越高， UPS 输出电压的波动范围越小，也就是电压精度越高。大部分 UPS 的电压稳定度小于 5%。 （9）输出电压失真度：即 UPS 输出波形中所含的谐波分量所占的比率。常见的波 形失真有：削顶、毛刺、畸变等。失真度越小，对负载可能造成的干扰或破坏就越小。 （10）负载峰值因数：指 UPS 输出所能达到的峰值电流与平均电流之比。一般峰 值因数越高，UPS 所能承受的负载冲击电流越大。 （11）冷启动功能：在无市电或不接市电的情况下，直接用电池组所提供的直流电 压启动 UPS 的功能。 （12）旁 路 功 能：指 UPS 超载或逆变器发生故障时，通过控制开关转换至市电 供电，也就是旁路供电。 （13）电池管理水平：由于电池在 UPS 整机成本所占比重较大，特别长延时 UPS 中更占 1/3 以上，而且电池故障在 UPS 故障率中也占 70%以上。所以电池管理水平的 高低直接关系到 UPS 的使用。 （14）整 机 效 率：效率低会造成 UPS 本身功耗大、易老化。效率低还会 造成电池供电时间变短。 4.2 调试方法 借助示波器和观察法测试系统，各性能指标测试方法如下： （1）输入电压范围：首先计算或查阅资料，得出理论输入电压范围，再找匹配的 可调电源接输入端，测试输出是否正常，电路是否稳定。 （2）输入频率范围：直接用函数信号发生器测试，接 UPS 输入，测试输出是否正 常，电路是否工作稳定。 （3）输入功率因素和输出功率因数：测量输入和输出参数，计算功率因素。 （4）过载能力：找大功率可调负载测试带载能力，测试输出是否正常，电路是否 工作稳定。 。 （5）切换时间：如果切换时间不长，可以用示波器测量输出间断时间，如果过长， 就没太大必要测试切换时间，因为一般间断时间超过 10ms，用电器一般都会重启。 （6）输出电压稳定度：示波器测量输出波形 （7）输出电压失真度：该指标是针对交流输出，因为该系统是直流输出，所以不 需测量该指标。 （8）冷启动：在不接市电，整个 UPS 无任何电源供电，接上负载，最后在 UPS 输入端接上蓄电池，UPS 能否正常启动。 小型 USP 不间断电源的设计 16 4.3 系统调试结果与分析 4.3.1 升压电路的调试 升压电路主要调试参数，在 4.2 已有简介，下面就对具体调试信息阐述如下： （1）输入电压范围：4.530V （2）输入功率因素：0.9 （3）输出功率因素：0.8 （4）过载能力：因为在升压电路中选择的电感带载能力不是很强，选用的电感最 大电流为 3A，所以受此限制，当负载电流达到 2A 时，电感就会微热。过载能力不是 很高，但已经能满足一般小型用电器要求。 4.3.2 充电管理电路的调试与结果分析 下面就调试信息阐述如下： （1）切换时间：小于 10ms。 （2）冷启动：UPS 能正常启动。 本设计能满足一定要求，在蓄电池满足要求的情况下，带载能力还是不错，但还 存在不足之处，比如保护电路做得不够，没过压、过流等保护，当输入和输出压差过 大，电路元件功率不够，会发热。 小型 USP 不间断电源的设计 17 结束语 本系统实现的是小型 UPS 不间断电源的设计。首先调查了市场上的 UPS 不间断电 源产品，并分析了它们存在的优点与不足，并借鉴了它们的优势部分应用到该系统中， 研究了他们整体的设计方法，查阅了 UPS 的相关电路设计，初步设计出本系统的方案， 并探讨其实现的可行性。其次是对于芯片的选择也是非常重要的，系统选用了性价比 高的基于 MC34063 与 SUN4004 主要芯片，能够很好的完成系统所需的功能。在熟悉 了硬件设计知识，采用模块化设计，把整个系统化分为多个小模块并逐步去实现