UPS的原理与设计2

1、第二部分 设计篇UPS的设计流程R&D是什么？research and development研究发展，这个题目范围就太大了；在本文中我们只谈UPS产品设计，不以追求深奥的学术理论为目标，而是给电源工程师讲授一套实用的设计方法。简单地说，就是从客户的spec.开始，设计方案、选择topology、绘制原理图（包含计算元件的参数和运用电子CAD软件，如PCAD2002画出符合电气规范的、美观工整的线路图来）、设计/计算磁性元件、PCB Layout（PCB Layout时就要全面考虑结构，Safety & EMC）、制作调试样机、验证测试（包括最终用户的试用确认），直到编写设计文档资料完成。整个

2、流程中的每个环节都有可能因为后续的NG不合格而反复多次。高层功能设计保护电路设计启动电路设计输出反馈设计控制器设计黑箱计算Spec.设计方案选择拓扑输入整流滤波的设计输出整流滤波的设计功率开关和驱动电路设计绘制原理图计算磁性元件制作调试样机PCB Layout验证测试编写设计文档Pause!The End! 16图2-1-1 UPS设计流程图 图2-1-2 绘制原理图部分1.客户的specifications首先，一定要弄清楚最终用户对UPS的真实需求。用户的电网环境怎样（电压是偏高还是偏低），是否有备用发电机组（发电时的频率范围可能多大），需要的UPS是off-line还是on-line机器

3、。负载允许UPS的供电切换时间是多少，GB/T 14715-93信息技术设备用不间断电源通用技术条件 5.1切换时间10ms 旁路开关切换时间5ms。当然，大家在UPS和逆变器厂家的商业广告词中经常看到或听到“零切换时间”，事实上在后备式UPS电源中怎么可能呢？那怕就是on-line机器，所谓的零切换时间也仅仅是指Line Mode、Battery Mode的切换而已，若是转bypass切换时间那也是不可能为零的。要求电池模式的备用时间是多长（UPS标准一般是510minutes），此时又是在多大负载下给出的；虽然一般是指满载all load情况，但用户的实际负载情况却多数不是这样。大多数情况

4、，公司的RD都会和客户详细讨论规格书，最终形成双方签名认可的书面的spec.要注意的一种情况是，当R&D designer设计工程师发现客户的spec.不合理时，先是说服引导客户制定更合理的规格；如若不行，只要不是原则问题，还是应该customer first。作为一个设计者，在开始设计以前，必须将自己的疑问提出来。问题越早被提出来，越有利于后面的设计。maybe需要辩析以下问题：UPS的工作环境有无特殊要求？包括温湿度范围（一般040 3090%）、污染等级、振动以及其他的物理条件。需要提供给load何种形式的UPS，工频机or高频机？对应每种方法，都有哪些不利的工作条件。市场或客户要求必须

5、满足何种安规和EMI/RFI标准？这不仅影响电气方面的设计，还会影响结构设计。必须适应的负载PF范围怎样？负载电流是否存在冲击性的特征，例如发电机、视频监视器、脉冲负载等。UPS的各部分电路是否需要以一定的先后顺序投入运行？可靠性要求有多高？对于MTBF要求很高的场合或许我们要采用并机冗余的方式。UPS的维护要求是什么？这将决定采取何种保护措施和结构设计，以满足维护要求。下面我们看看Centralion Product Specification LC1 Series for Riello有何不妥？Table of Contents1.0 Scope2.0 General Functional

6、 Description3.0 Part Numbers4.0 Models5.0 Electrical 5.1 Input 5.2 Output6.0 Network/Tel Transient Protection7.0 User Interface 7.1 Communication 7.2 Protocol8.0 Battery/Battery Modules 8.1 Batteries9.0 Regulatory Standards and Requirements 9.1 Safety Certifications 9.2 EMC Certifications10.0 Enviro

7、nmental 10.1 Temperature 10.2 Humidity11.0 Product Reliability 11.1 Size 11.2 Material and Color 11.3 Packing and Shipping 11.4 Acoustic Noise Emissions实际内容为11.0 Mechanical requirements12.0 Firmware13.0 Buzzer14.0 Product Reliability实际内容为14 ComponentsAll the components must be used inside the charac

8、teristics given from the producer15.0 ERIAL NUMBER (MAT) SPECIFICATIONS16.0 Bar Code可以看出，规格书中Reliability是含糊不清的，下面我们就来谈谈可靠性。可靠性是后备式UPS的类指标要求，17随着计算机及网络技术在信息处理、工业生产及自动控制领域的发展，人们已经从简单的对UPS可靠性指标的追求改变为更高层次上的对UPS可用性指标的追求。什么是可靠性？可靠性的经典定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。连续使用的可修复的UPS的常用可靠性指标有平均无故障时间MTBF、平均修复时间MTTR等

9、。5MTTF(Mean Time To Failure) for non-repairable product/不可修复的产品用MTTF，不可修复的元器件才用失效率这个可靠性指标。MTBF(Mean Time Between Failures)平均无故障时间越大越好，用两种方法计算：用所用元器件的可靠性和电路结构的可靠性等效电路计算，用批量整机投入运行（或在实验室模拟运行）的故障数据统计计算。=T/R，=MTBF T=total time R=number of failures。MTTR(Mean Time Between Repair)平均修复时间是指在某一个阶段中出现故障的次数N和为了排

10、除这些故障而花掉的时间T(h)之比，即MTTR=T/N。YD/T 1095-2000 4.9可靠性要求 UPS设备在正常使用条件下，平均无故障间隔时间MTBF应不小于100000h（不含蓄电池）。GB/T 14715-93信息技术设备用不间断电源通用技术条件 5.6 可靠性 用平均无故障工作时间（MTBF）的不可接收值m1作为衡量产品可靠性水平的指标，其数值应不低于3000h。显然，我们应该用MTBF作为reliability的指标。X/Y-QAW-89 MTBF计算作业规范提到我司有可靠度预计软件RelCalc。可靠性设计包括选用高可靠的元器件derating，设计更优的UPS拓扑架构del

11、ta，采用并机冗余技术，UPS的制造工艺也是影响可靠性的重要因素。2.设计方案何谓方案？方案设计在整个设计流程中处于什么地位呢？方案就是在售价或利润一定的条件下对产品的总体设计思想，It is a idea.方案它包括UPS的电气架构确定、PCB的可能布局、体积重量的控制、PWM芯片或MCU的选用、大体机构的设计、软硬件的接口，甚至就连软体准备用什么语言编程、分成哪几个模块都应有所考量。方案就是产品设计的方向，显而易见若方向都错了，将是一个怎样的后果呢？一是产品就设计不出来嘛，不能结案；二是就算结了案，但可靠性较差，首批量产直通率很低或者后续大批量进入market客户抱怨一大堆（事实上，有些问

12、题或许客户没发现或许我们并没有收到客户的抱怨）；第三个可能性是UPS设计出来啦，可靠性也还不错，但是cost却比“高手”设计的over。方案设计者是一个知识面较宽的复合型人才，而且必须有多年设计经验的累积，他（她）就是我们现在正推的IPD中所讲的系统工程师。有些公司是由PM项目经理担当。影响这个阶段设计的主要因素是：成本，重量和尺寸，在UPS内部会有多少热量产生，输入电源特性，负载的噪声容限，电池寿命，需要输出电压的组数（SPS DC输出时才常见）及输出特性，产品投向市场的时间。只有综合考虑上面提及的各种因素，权衡利弊，才能决定满足最终产品需要的最优技术。线性电源、PWM开关电源、谐振开关电源

13、、准谐振开关电源技术均已成功地应用到电源行业一定的产品领域。表2-1-1比较了各种电源技术的特点：表2-1-1 四种电源技术的比较线性变换PWM开关变换谐振开关变换准谐振开关变换成本低高高最高重量高中偏低最低低EMI/RFI无高低居中效率35%50%70%85%95%78%92%多路输出无有有有开发周期一个星期8个人工月12个人工月10个人工月 随着世界范围的铜、铁矿石、铝等金属材料价格的飞涨，线性变换器的成本需要评估。至少三年以上的电源设计经验和必需仪器设备。3.选择topology设计UPS时，主要考虑的是采用何种基本拓扑。非隔离型变换器经典拓扑电路有buck降压、boost升压两种，隔离

14、型变换器经典拓扑电路有五种：flyback单端反激式、forward单端正激式、push-pull推挽式、half-bridge半桥式、bridge全桥式，其它还有双反激、双正激、不对称半桥等等。若再算上improved改进的或者像诸多论文题目中的“一种新型的”topology，则maybe拓扑有数百种都不止。要选择topology，of course我们就必须先要弄清楚每种topology的架构、优缺点和大概适应的功率范围。Flyback,Push-pull & Bridge原理篇已讲过了。3.1buck降压变换器电路图2-1-3 Buck变换器工作原理11当Q1驱动信号V1为低电平时，晶体

15、管导通；此时二极管D1承受反向电压，二极管截止。Is=IL流过电感线圈，在电感未饱和前，电流线性增加，在负载RL上流过电流Io，输出电压Vo。V1为高电平时，晶体管截止；这时二极管D1承受正向电压导通，为电流IL构成通路，故称D1为续流二极管。Vo=VinDuty3.2boost升压变换器电路图2-1-4 Boost变换器工作原理当Q1驱动信号V1为高电平时，晶体管导通，电流IL流过电感线圈L，在电感未饱和前，电流线性增加，电能以磁能形式储在电感线圈L中。此时，电容C放电，负载RL为输出电压Vo。V1为低电平时，晶体管截止，由于电感L中的磁场将改变L两端的电压极性，以企图保持IL不变。这样电感

16、L磁能转化成的电压VL与输入电源Vin串联，以高于Vo电压向电容C、负载RL供电。高于Vo时，电容有充电电流；等于Vo时，充电电流为零；当Vo有降低趋势时，电容向负载RL放电，维持Vo不变。Vo=3.3forward单端正激式变换器电路图2-1-5 Forward变换器工作原理当Q1导通时，在变压器的初级产生了电流，并储存了能量。由于变压器的次级极性与初级同相，所以这个能量也传递到了变压器次级，通过处在正向偏压的二极管D2，把能量储存到了电感L中。此时，二极管D3是反向偏压，为截止状态。当MOSFET Q1截止时，二极管D2是反向偏压，变压器绕组中的电压反向，续流二极管D3处于正向偏压，在输出

17、回路中，储存在电感中的能量通过电感L继续传递给负载RL。变压器的第三绕组称为箝位绕组（或回授绕组），它与二极管D1串联，其作用是用来限制MOSFET D-S的电压尖峰。在MOSFET截止时，还能使高频变压器的磁通复位。Ic=，假设效率=0.80 max=40%。Forward的优点：电路结构相对简单。缺点：变压器同样只利用第一象限，利用率低。适用的输出功率范围约100200W，但在要求较高的辅助电源中，如要求电源内阻小、EMI干扰小的场合，虽然仅仅3050W也有用forward topology；现在市面上采用双正激拓扑做到3000W的电源已经非常普遍啦。3.4half-bridge半桥式变换

18、器电路图2-1-6 Half-bridge变换器工作原理在半桥式电路结构中，电路的输入电压可以是115V或是230V。高频变压器初级的一端与串联电容C1、C2相接，其电压值为Vin/2，在正常输入电压下（220VAC1.414=311.08V2160V）约为160V；高频变压器初级的另一端通过串联电容C3与MOSFET Q1的源极和Q2的漏极相连。当Q1导通时，变压器的同名端为正极性，产生一个160V的正脉冲；当Q1截止而Q2导通时，变压器初级的电压极性反向，产生一个160V的负脉冲。由于Q1、Q2的轮流导通和截止，就会产生320V的峰峰值方波。通过次级整流、滤波，产生直流输出电压。Ic=，假

19、设效率=0.80 max=80%。Half-bridge的优点：half-bridge最突出的优点是对vs伏秒积不对称引起的不平衡具有自动平衡能力；通过选择倍压整流，即可适应世界电压范围。缺点：不能采用current mode控制，必需两颗大电容，俗称“大水塘”。适用的输出功率范围约200500W，也有设计成1000W的，但两颗大电容难以选择、价格较贵，且导致输出ripple纹波较大，当然还是可以通过设计更快响应、更小时间常数的电压环来改善。在一种应用场合下，有多种拓扑可以工作，但只有一种是在要求的成本范围内性能最好的。表2-1-2总结了各种各样拓扑及其相应的优点。表2-1-2 PWM开关电源

20、拓扑的比较Topology功率范围WVin(dc)范围V输入输出隔离典型效率(%)相对成本Buck01000540无701.0Boost01000540无801.0Flyback01005500有801.2Forward1002005500有781.4Push-pull01000501000有752.0Half-bridge200500501000有752.2Bridge1000+501000有732.54.绘制原理图Centralion RD的现状是设计工程师先手工画草图，后由Layout工程师应用PCAD2002画出正式的线路图。设计工程师在手工画草图时，准确地说就是设计线路图的过程。选用

21、什么架构，选用什么元器件，哪个厂家的，计算每个元器件的参数（有些元器件的参数无需什么计算，例如OP运放的平衡电阻、各类限流电阻10K or 100K、诸多去耦电容104等等）。值得注意的是，通常设计者不见得关心电路的模块化、信号的输入/输出方向，更不用说会去关心手工草图的美观性。那么，Layout工程师是不是也如此呢？显然不是，我们在画正式的线路图时必须关心电路的模块化、电压/电流信号的流向，不要让大家“找不着北”，只有你一个人清楚。电气功能相关部分一定是尽可能画在一起，尽可能画在一张paper，尽可能画在一份线路图上。当然，按module、按PCB区分线路图也是方法之一，且两者并不矛盾。美观

22、则是一个不言而喻的基本要求。资深不资深、专业不专业，别人从你的线路图就略知一二了，不是吗？前面讲过原理图绘制的流程或者说是设计线路图的步骤：黑箱计算，输入整流滤波的设计、输出整流滤波的设计、功率开关和驱动电路设计、控制器设计、输出反馈设计、启动电路设计、保护电路设计，高层功能设计。我们先讲黑箱计算和高层功能设计。黑箱计算就是把要设计的电源当成一个黑盒（软体中的黑盒/白盒概念）看待，只计算输入/输出的一些主要参数。它有助于设计者确定自己所选的拓扑是否正确，也便于提前预定实验所需的元器件，同时可以知道接下来的设计所需的一些重要的参数：输出功率，输入功率，平均输入电流，输入峰值电流，选择功率开关管和

23、整流电路。输入峰值电流的确定有助于反激式电感和变压器的设计，对于正激式电感和变压器的设计这时还无法确定。，式中k=1.4/buck push-pull bridge 2.8/ half-bridge 5.5/boost flyback forward。注意，16forward的系数k的取值2.8应该是不对的！每一种拓扑都可以计算出开关管和整流电路上的电压、电流应力，表2-1-3的公式估算有90%的可信度。设计过程中，可以在这个阶段选好功率器件，从而节约宝贵的时间，以避免在样机制作调试时需要等待。表2-1-3 估计功率半导体器件重要参数的最小值拓扑双极型功率开关MOSFET功率开关整流器Vceo

24、IcVdssIdVrIfbuckVinIoutVinIoutVinIoutboostVoutVoutVoutIoutflyback1.7Vin(max)1.5Vin(max)10Vout3.6Ioutforward2Vin2Vin3VoutIoutpush-pull2Vin2Vin2VoutIouthalf-bridgeVinVin2VoutIoutbridgeVinVin2VoutIout注意，16flyback整流器IF的最小值为Iout也是不对的。高层功能设计就是设计与软体MCU的接口电路和一些附加功能，如RS232/RS485通信接口、SNMP卡、TVSS板等等。5.计算磁性元件磁性元

25、件的计算是UPS设计的难点之一，实际上也是整个switching power supplies的设计难点。磁性元件合理的电气和物理设计对UPS的效率和可靠性有很大程度的影响。磁性元件的总体设计流程如下：根据相应的应用场合和工作频率选择磁芯材料。选择的磁芯形状要符合应用场合的需要及符合有关的设计规范。确定磁芯的尺寸，以满足UPS能传递的输出功率要求。确定是否需要加气隙gap，计算每个绕组的匝数，绕组是否绕得下？考虑safety/耦合/漏感/EMI，确定绕线方法。试验阶段，反复验证电压尖峰、输出精度、纹波、交叉调整率和EMI。变压器分高频变压器（20KHz）、中频变压器（400Hz）和工频变压器（

26、50Hz 60Hz）的计算，它们所用材质是不一样的。高频变压器一般使用铁氧体Ferrite cores、非晶/超微晶，Ferrite的工作频率可以很高、但饱和磁通密度Bsat仅数千高斯Gs；非晶/超微晶的饱和磁通密度较高，但实际工作频率一般只使用在2050KHz，且存在些许噪音（磁致伸缩系数）。即使同为高频变压器，应用的拓扑场合不同，计算也是有差别的。18在UPS中，用得最多的磁芯材料是铁氧体，有锰锌铁氧体和镍锌铁氧体；NiZn具有更高的电阻率，适合工作在1MHz以上的场合。软磁铁氧体是深灰色或黑色陶瓷材料，质地既硬又脆，化学成分一般是氧化铁和其他金属组成MeFe2O3，其中Me表示一种或几种

27、2价过渡金属，如锰Mn、锌Zn、镍Ni、钴Co、铜Cu或镁Mg。将这些金属的极细粉末，加入适当的粘合剂经均匀混合、成型，再在高温（1000以上）烧结，形成各种形状的磁芯。铁氧体根据不同的原料的配比，获得不同的性能：如电阻率、初始磁导率、饱和磁感应、居里温度、磁感应的温度特性、损耗的温度特性、剩磁特性等等。从而也就有了诸多公司的各种牌号的材料。由于材料中含有非磁粘合剂，铁氧体材料的初始磁导率比磁合金低得多，同时磁化曲线有缓慢饱和特性；但缓慢饱和特性对于推挽型变换器的变压器倒是有利的，可减少偏磁的影响。以日本TDK公司的PC40为例，Saturation magnetic flux density

28、 Bs=5100Gs/253900Gs/100。业界常用的国内外铁氧体材料生产厂家有新康达、金宁、东磁、TDK、TOKIN etc.非晶态合金主要采用冷却速度大约106/s的超急冷凝固技术，从钢液到薄带成品一次成型。由于超急冷凝固，原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，故称为非晶态合金，也称金属玻璃。非晶态合金分成铁基、铁镍基、钴基和超微晶态合金四大类。铁基非晶的饱和磁感应强度较高Bs=1.401.80T，磁芯损耗比硅钢片低（1/31/5）；应用于制造中频和工频变压器，特别是代替硅钢片做配电变压器，可大大节约能源。钴基非晶的磁导率极高，而矫顽磁力也

29、极低，磁芯损耗在非晶中最低，适用于20200KHz的工作频率，饱和磁通密度居中Bs=0.500.80T，价格昂贵，因为钴元素很贵；应用于双极性磁化的小功率高频变压器，以及磁放大器和尖峰抑制磁珠。超微晶或称纳米晶具有高的初始磁导率105、高饱和磁通密度1.20T、低比损耗P0.2/50k=15W/kg以及良好的温度稳定性，价格低廉，适用于20200KHz的工作频率；广泛应用于高频变压器、谐振电感和滤波电感磁芯。业界常用的国内外非晶/超微晶材料生产厂家有安泰、冶科、德国VAC etc.中频、工频变压器的材质大多为硅钢片，又称矽钢片，通常采用一定厚度的冷轧取向带料。硅钢片是含硅量在0.5%-5%的超

30、低碳钢。黑片是将白片经退火加工而成的，通过热处理消除因冲压造成的晶体间的各向异性。黑片的空载电流比白片的小，所以其损耗小，温升低。黑片一般比白片贵800元/吨。通过控制轧制方向和采用再结晶工艺生产的具有110晶向和100晶向的晶粒取向的硅钢片称取向硅钢片；晶粒取向程度小、在钢板面上磁各向异性小的硅钢片称无取向硅钢片。硅钢片的特点是饱和磁通密度高Bs=2.03T，价格低廉。磁芯损耗与工作频率、使用的磁感应强度、材料的电阻率和片的厚度有关。硅含量越高，电阻率越大，则损耗越小。业界常用的国内外硅钢片生产厂家有宝钢、武钢、新日铁等等。还有驱动变压器、PT、CT，它们的设计计算/材质的选择与功率变压器是

31、有差异的。设计互感器时为了保证检测精度，要求激磁电流小，故应选择磁导率尽量高的材料。电感类型众多，输入共模电感、输入差模电感、输入PFC Boost电感、输出共模电感、输出滤波电感、磁性放大器magnetic amplify、尖峰抑制器spike killer等等。电感所用的材料众多，磁粉芯、铁氧体、非晶/超微晶、硅钢片都有可能用到；但场合不同，选择材料就不同。磁放大器、尖峰抑制器要求磁芯材料具有高的矩形系数和高磁导率。磁粉芯通常将磁性材料极细的粉末和粘结剂的复合物混合在一起，通过模压、固化，（一般）形成环状的粉末金属磁芯。由于磁粉芯中存在大量非磁物质，相当于在磁芯中存在许多分布气隙，在磁化时

32、，这些分布气隙中要存储相当大的能量；带气隙磁芯特性产生偏斜，有效磁导率降低。磁粉芯根据含磁性材料粉末的不同有4类：铁粉芯、铁硅铝（Kool mu）、高磁通密度（铁镍磁粉）、坡莫合金磁粉芯（MPP）。铁粉芯成分是极细的铁粉和有机材料粘合，磁导率在1075，损耗高，低成本。铁硅铝成分为铁85%、硅9%、铝6%，磁导率为26/60/75/90/125，损耗较低；市售名称Magnetics称为Kool mu。铁镍磁粉芯成分是铁50%、镍50%，磁导率14200，损耗高于铁硅铝而低于铁粉芯，价格较高；饱和磁通密度最高。MPP成分是铁17%、镍81%、钼2%，磁导率14550，损耗最低，价格最高；饱和磁通

33、密度最低。磁性元件设计中，初学者容易感到困惑的是大多数计算的结果都不是唯一的，参数选择不同（如最大占空比max单端反激/正激0.300.45，双端的0.800.95；再如磁通密度限制Bmax50kHz 0.5Bs，100kHz 0.4Bs，500kHz 0.25Bs，1MHz 0.1Bs等等）则计算的结果相差也甚远。所以，有人说最好把计算的结果仅仅当成是定性的估计量来看待。我个人的观点，没有唯一，但有更合理，而且一定还是要计算。确定磁芯的尺寸有两种方法：第一种是查表法，用制造厂商提供的资料中说明在特定的应用场合下各种磁心可以传递的功率。第二种是面积乘积法，就是计算出磁芯截面积与磁芯窗口面积的乘

34、积，从而确定磁芯的尺寸，以下为3个典型计算公式。3AeAc= 操作电流密度D的大小是由绕线制造商所提供，而且都以每安培1000圆密尔（c.m./A）做基底单位，工程上选用400c.m./A（0.202mm2/A or 5A/mm2）；“一般使用的电流密度低于200c.m./A是较为安全的”，正确的理解是只要小于10A/mm2就基本没问题。直经为1mil的面积即为1园密耳c.m.，1c.m.=0.78510-6inch2=0.50610-3mm2。Bmax的取值是100时Bsat的一半，Ferrite cores约取1600Gs。18AP=AeAw= 式中Po输出功率W B磁通密度变化量T fT

35、变压器工作频率Hz k0.014（正激，推挽）；0.017（半桥，全桥）。1SQ= 式中：S磁芯的截面积（cm2）；Q磁芯窗口面积（cm2）；f工作频率（Hz）；Bm最大磁感应强度（Gs）1500；绕组中的电流密度2A/mm2；变压器的效率0.9；Km窗口的铜填充系数；Kc铁芯填充系数1；PT变压器的标称功率（VA）。绝大多数制造厂商的产品手册/选用指南中，磁芯参数core parameter：Ae le Ve AL Pc。只给出了Ae磁芯截面积，而不会给出Aw磁芯窗口面积。那么，Aw怎么算呢？从磁芯的尺寸算图2-1-7 EE磁芯和环形磁芯对于EE55磁芯：Aw=385.4mm2=3.85cm

36、2，Ae=CD=20.717.0=351.9mm2=3.52cm2新康达磁芯选用指南3.54cm2。对于H804020环形磁芯：Aw=3.14=1256mm2，Ae=400mm2。6.PCB Layoutprint circuit board印制线路板设计PCB是从设计师的思想，线路图转换为商品的一步关键物理实现。一台性能优良的UPS，除选择高质量的器件、合理的电路外，PCB的元件布局和电气连线方向的正确设计是决定UPS能否可靠工作的一个关键问题，它们和电路合理参数计算的严格性是两个不同的问题，这是一项反复“试一试”的工作。对同一种参数和元件的电路，由于元件布局设置和电气连线方向的不同会产生不

37、同的结果，并且每一种结果相互之间可能存在着很大的差异。对于模拟电路来讲，对于UPS的高频机来讲，PCB Layout就显得尤为重要。现阶段的占主流的电力电子产品开关工作频率是约20100KHz，部分软开关电源的工作频率是约200500KHz。随着电力电子技术的发展，有朝一日当centralion UPS之converter & inverter的开关工作频率达到目前美国Vicor公司部分DC/DC模块（谐振resonance）高达上兆的频率时，又会怎样呢？电源的发展趋势之一不就是高频化吗？当电路的工作频率很高时，PCB上铜箔/元件的分布参数就变得愈加复杂，分布电容、分布电感的影响变得越来越大。

38、通过Layout工程师的设计，可以尽可能地减小分布参数的影响，或者巧妙地利用分布参数参与电路的工作。甚至13利用PCB制成专用的电感和电容，这在技术开发竞争的时代，给非法仿制者增加了一定的困难。一般电感量仅只能达到50uH左右，电容利用两面的铜箔即可设计出。保密工作要如何做？最好的保密就是不断创新，引领业界的技术方向，保持自己的技术领先地位，别人就算仿制也只能跟在你的屁股后面，不是吗？PCB设计的最佳流程如下：放置变压器或电感。布置功率开关管电流环路。布置输出整流器电流环路。把控制电路与交流功率电路连接。布置输入环路和输入滤波器。布置输出负载环路和输出滤波器。有个比较好的规则是把PCB尽可能敷

39、铜，也就是要使PCB没有大的空白区域，可以把地线和电源线加粗。这样做有两个好处：改善变换器散热条件；大面积的铜可以捕获射频能量，并通过涡流方式消耗掉。我们知道，每一个UPS converter & inverter & charger或许都有四个电流环路，功率开关管交流电流环路、输出整流器交流电流环路、输入电源电流环路、输出负载电流环路。通常输入电源和输出负载电流环路并没有什么问题，因为这两个环路上主要是在直流电流上叠加了一些小的交流分量，连接的位置只能是相应的输入和输出电容的接线端。如图2-1-8所示，功率开关管和输出整流器交流电流环路包含有丰富谐波的PWM开关电源典型的梯形电流波形，这些交

40、流电流的峰值有可能是连续输入或输出直流电流的25倍，转换时间大约是50ns，因而这两个环路最有可能产生EMI。Layout时，交流电流环路的布局、连线要优先考虑。其实每个环路主要也就是三个元件：滤波电容、功率开关管或整流器、电感或变压器，它们的位置要尽可能靠近，方向也要确定好，以使它们之间的电流通路尽可能短。 图2-1-8 Flyback & Push-pull topology电流环路UPS内部的接地要区分电源地和控制地。电源地代表的是上面介绍的电流环路底下的支路，作为电路的共同电位参考点，把这些地混淆的话会引起电源工作不稳定，因而在布置PCB时要十分小心安排电源地。控制地是连接控制集成电路

41、和与之相关的无源器件的地，这个地非常敏感，因而要在其他的交流电流环路都布置好后再放置。控制地与其他地要通过一些特定的点连接，总的来说，这个连接点是产生控制IC所要检测的小电压的所有器件的公共连接点；它包括电流型变换器电流检测电阻的公共接点和输出端电阻分压器的下端。目的是减小检测部分与电压误差或电流放大器敏感的输入端之间的连接而引入的噪声。主要变换拓扑的地线安排见图2-1-9。图2-1-9 主要变换拓扑的地线安排每条大电流的地线要短而宽。作为一般的规则，除控制地外，输入滤波电容的公共端应作为其他交流电源地的唯一接点。我司庄荣源PSDR GND接法，对UPS的接地处理也有详细阐述。7.制作调试样机

42、是设计过程的调试，非验证阶段的测试对于设计师来说，样机有两种，所谓原型机和工程样机。一般认为原型机是设计师的思想/线路图的一次物理实现，此时UPS的功能、指标都存在不满足，是给设计师调试用的；而工程样机是二次物理实现，此时UPS的功能、指标肯定是合格的，甚至工艺都是OK的，是给设计师以外的人员所用，如给验证测试、QA检验、用户试用等。Phoenixtec/Centralion没有明确的定义。原型机prototype是R2.2阶段，收集硬体/软体/机构测试问题、EMC测试报告、安规初审报告、生产发现问题、QA发现问题和客户反馈信息。工程样机是R3阶段，针对原型机存在的问题修改，签发试作单，提供Q

43、A样机、线路图和规格书，送样给客户（Beta sample依合约规定）。样机的制作调试在不同的公司有不同的做法。大公司的样机制作调试是由设计者以外的人来完成，设计者只是参与、指导；中小公司的样机制作调试很可能是设计者一手包办，仅领元器件、焊板子有技术员帮忙而已。当然，根据UPS的大小、复杂程度会有不一样的开发组织形式，不能一概而论。15研制现代UPS是一项要求知识面宽、难度很大、又有危险的复杂技术。因为它横跨了三个学科：一是微电子精细加工的智能化专用集成电路控制芯片系统；二是正在快速更新的高性能功率半导体MOSFET和IGBT等电力电子器件；三是要合理选用、绕制各种电感器件和高频变压器所用的磁

44、性材料，有软磁铁氧体、金属铁粉芯、非晶和微晶等几大类。又因为它在试验板上要输入交流220V电压（三相380V就更高），它经过全波整流滤波后输出+300V直流高压；若经过PFC升压储能电感，则高达+400V；试验中若主功率开关管工作状态不正常，如驱动脉冲波形畸变，或是高频变压器磁芯饱和短路，或桥式变换器出现“共态导通”，就可能造成管壳爆炸，甚至炸碎的管壳四处飞射，铝散热片和或PCB也被熏黑。而在某种程度上可以说电力电子技术是一门实验科学。UPS的设计是一个实践性很强的课题，许多经验均是在不断的实践中摸索和积累的，只有在实际的试验中，才能使设计趋近完美。下面我就讲讲制作调试样机的加电过程，对于电源

45、新手来讲很有必要。拿到原型样机后，我们会不会把电源开关合上，直接加入额定电压220VAC呢？会，那就证明你是一个菜鸟。不能这样嘛！加电试验过程要准备一个调压器，从低压开始慢慢往上调。先调试辅助电源给MCU供电的Vcc，为converter & inverter控制芯片供电的Vcc。下面以UC3845构成的flyback为例来说明，将双路直流稳压电源的一路（8.5V，可选1220V）加在UC3845 PIN7，另一路加在电源输入端；通过使输入电压逐渐提高，注意50VAC、100VAC停留一下再加到220VAC，（示波器电源用隔离变压器供或探头用差分探头/隔离探棒）可看到驱动波形duty刚开始总是

46、最大占空比、输出电压慢慢升高，当输出电压达到额定值时，duty突然变小/电压环路起作用；如此可以确定主电路工作是否正常。或者一路加在UC3845 PIN7，另一路加在作为取样的输出电压两端，通过使输出电压逐渐提高，可看到驱动波形duty的变化，从而确定初级与次级的控制部分是否正常工作。maybe需要加点负载，如20%的轻载。验证自馈电绕组的电压及其稳定性。验证其它绕组的输出情况。电路进入正常工作状态后，还应做负载调整率，电压调整率，纹波电压等项测试，看是否达到设计的指标。最后，应做满载的烤机老化试验，同时，注意整机的热设计是否达到要求。调试完成后，应将所测各种参数形成文件，尤其是对变压器及输出

47、电感调整后的参数进行记录，并修改变压器的绕制工艺，为批量生产做充分的准备工作。8.验证测试应该说设计验证的手段有多种，详细的设计评审、仿真、测试、实际应用等等都能够达到验证设计的目的。结合centralion的状况，我们主要来谈谈设计验证之测试。先是明确区分全新机种、衍生机种和ECN机种。全新机种是全面测试，衍生机种、ECN机种是针对改动部分、一定影响部分和可能影响部分进行测试。验证测试重要的是制定测试计划，确定需要测试哪些项目；设计测试方案，conditions都有哪些。参照phoenixtec验证规范（所有验证测试项目共分六大类：规格验证、环境验证、可靠度验证、架构及零件验证、变更检测、机

48、构设计，共计131-34=97个项目），结合centralion RD的实际情况，特制定如下系统验证测试计划。规格测试 (1.1)输入电压侦测验证机器line hi low/detected范围是否符合规格，应用是否出问题，有无在line mode、bat mode来回跳来跳去。Conditions:no load，full sps load，I/P Source:normal，I/P Source:电压上下限。(1.2)输入频率侦测验证机器开机频率及使用频率范围，开机频率范围内外开机逻辑，使用频率范围外应用是否会出问题。有无在line mode、bat mode来回跳来跳去。Conditio

49、ns:no load，full sps load，I/P Source:50/60Hz，I/P Source:频率上下限。(1.3)效率测试测试机器效率是否符合客户定义的规格需求。Conditions:line normal，battery full，full load。(1.4)转换时间测试机器line mode（normal,boost,buck）/battery mode/bypass mode状态转换的时间，输出电压波形的变化。看看输出电压是否有中断，是否合于规格，应用是否会出问题。Conditions:no load，full load，break out/brown out/fre

50、quency out。(1.5)输出响应Bat mode下load take on/off，测量转换到90%Output的时间和Peak值（2多数应用中，暂态过程的振幅有多大是更重要的），看是否满足规格，机器是否会产生故障。Conditions:bat low，full sps load。(1.6)温升测试验证line mode下机器（内部功率）元件的温升是否符合规格。Conditions:Normal mode充电后放电再充电，Boost mode充电后放电再充电，Buck mode充电后放电再充电。(1.7)输入V/F保护测试调节输入电压、频率的大小，确认是否有V/F保护，V/F保护点是否

51、符合规格要求，是否会使机器损坏，是否会出现其他异常。（同时应量测输出电压波形，确认输出电压波形正常）Conditions:sinewave high loss-3V、F在正常范围内（frequency low lossfrequency high loss）调节，stepwave high loss-3V、F在正常范围内（frequency low lossfrequency high loss）调节。(1.8)电池管理（ABM）功能测试用10min进入rest mode的程式，测量机器的ABM是否正常，测试过程中机器是否会发生其它不良状况。Conditions:持续normal电压/频率输入

52、。(1.9)噪声audible noise测试噪音一般是指不该产生之声音，噪音会让使用者产生反感，噪音应是越小越好。测试产品使用时噪音之程度，是否合规格，应用是否会出问题。测试之环境噪音要小于3db。Conditions:前、后、左、右1m，line mode，bat mode。(1.10)USB/RS232通讯测试了解机器在各种资讯传输功能操作状态下其UPS返回状态是否正确，是否符合规格，是否会出现异常返回值。通过protocol来查询UPS参数值、控制与设定的UPS工作状态、量测参数精度是否与UPS状态相符。Conditions:no load,full sps load。应用测试 (2.

53、1)FaultUPS在line mode及bat mode、无载及有载状况下，观察LED的显示是否正确。Conditions:ac/dc fault,overtemperature,fan lock fault,overload fault, output short circuit,Batt test fail.Site fault(LV/HV机种均有)，L&N反接、无地线。(2.2)Display and audible alarm了解机器在各种操作状态下（包含正常与不正常操作、机器故障等），不同负载充放电过程中面板显示&buz鸣叫是否正常。Conditions:no load,full

54、sps load,battery replace,charger,discharger.(2.3)静音/test键功能测试验证机器的静音/test功能是否正常。Conditions:no load,full sps load,line mode下按静音键，AC/DC开机时按静音键。(2.4)CPU reflash验证reflash过程中分别模拟contral power和烧录线断掉以及PC关机异常情况，然后再重新烧录，观察机器是否可以重新烧录和能否正常工作，重复进行5次，判断是否符合设计要求和客户需求。Conditions:line mode下烧录，battery mode下烧录，关机充电状态

55、下烧录，烧录过程中把通讯线拔掉，烧录过程中关PC，烧录过程中断市电、拔电池。(2.5)PC reboot验证UPS在电压突变时，是否会引起PC机重启。可靠度测试 (3.1)模拟使用者之不当操作以使用者可接触到之外观插座配线等，模拟错误之操作使用，观察UPS是否会发生异常或故障或有断电的状况发生，及是否会危及使用者安全。Conditions:将输入配线与输出配线反接并送入市电，不开机。将输入L、N反接并送入市电，并开机。将输入L、G反接并送入市电，并开机。将输入N、G反接并送入市点，并开机。(3.2)电池充电测试测试机器未开机前，电池的漏电流（自放电）是否符合规格。测试charger对电池充电的

56、能力，是否符合规格，应用是否会出问题。测试UPS Charger Over Voltage Protection功能是否正常，是否会造成电池因过充电而膨胀损坏。过充电压动作保护点一般于2.4V/cell0.05V以内动作（除非spec.另有规定），并控制将充电器输出持续off、不可以自动reset，且必须有持续告警。Conditions:full sps load(3.3)电池放电测试验证电池放电时，电池shutdown电压，是否会使得UPS发生故障、输出不正常断电、当机（无法操作），是否会过度放电造成电池寿命变短或其它不可预知现象。Conditions:10%load，依客户所定之不同比例负载。(3.4)循环充放电测试确认电池是否可达到此机种所需的放电时间。对具有auto-restart功能的UPS，当输入市电异常时，MCU可能侦测到市电异常而将char-off，但工作电源建立，由电池提供能量，电池一直处于放电状态，导致bat-low，因此需确认当输入市电异常char-off后，工作电源是否存在，电池是否处于放电。除bat mode或bat test外，电池