【《UPS电源方案设计案例》5400字】

33UPS电源方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u6253UPS电源方案设计案例 143681.1负载不间断电源的原因 1141411.2工作原理 1217351.3系统整体设计 2189531.4降压整流滤波电路 3174591.5直流降压电路 4156701.6切换电路 6325351.7单相全桥逆变电路与驱动电路 7185351.7.1单相全桥逆变电路 8160131.7.2全桥逆变器驱动电路 9105041.8电流检测电路 11310451.9电压检测电路 121.1负载不间断电源的原因（1）市电电网供电所出现故障，导致断电，如：输配电线路损坏，变压器过载短路，自然灾害引起的市电电源中断；（2）由市电电网中高次谐波，瞬间电涌，过压欠压引起的断路器跳闸；（3）临时电网检修；上述三种是常见引起电网电源断电现象，第一第二种是无法临时预料和避免的，而第三种，是可预见，但无法改变的。设计方案应针对上述原因入手解决问题。1.2工作原理本设计方案采用单相在线式不间断设计方案，通过采用意法半导体公司的ARM架构的STM32F103单片机作为主控制器，采用单片机采样电路采样后生成两路互补PWM序列，驱动半桥上下臂的开关，添加死区，防止上下桥臂相互导通，从而控制全桥逆变输出，当市电不直接供电给负载，均通过逆变电路逆变后提供于负载设备。市电电源为单相交流电220V电压，通过UPS设备内部降压整流成单相脉冲直流电12V电压，同时给储能设备蓄电池进行充电，保证设备在市电出现故障或中断时，提供充足电力，在继电器检测市电电源故障或中断时，自动切换设备由备用电源蓄电池通过单相全桥逆变驱动电路，通过主控制器MCU通过两路互补SPWM调节上下桥臂开关，实现上下桥臂PWM信号互补，通过添加死区，防止上下桥直通，采用LC电路，获得一个高质量平滑的正弦波形，从而输出一个高质量恒压恒频的正弦交流电源至负载设备，以保证负载设备能正常工作，使负载设备不受市电电网影响，达到输出电压稳定的要求，如图4。图4工作原理框图1.3系统整体设计该STM32为核心的UPS电源，需要满足稳定可靠的电源输出，即电源输出的电压和频率需要符合负载设备的输入要求，同时保持电源的持续稳定不间断输出。设计的重点就在于：（1）转换电路需要在市电电网中断时，自动切换备用电源；（2）STM32通过输出的PWM控制逆变器输出恒定电压恒定频率。逆变电路是整个UPS系统的核心部分，是保证负载设备能否正常工作的关键，逆变电路是把蓄电池电能或市电电源降压的单相直流电通过全桥逆变电路输出交流电，通过电路输出检测采样，调节单片机主控制器生产相应的PWM序列驱动半桥上下桥臂的导通，保证输出高质量的正弦波电流给负载设备。图5整体设计总体框图1.4降压整流滤波电路降压整流滤波电路采用全桥整流电路，优点相较于半桥工作模式，利用率得到提高，各二极管承受到的反向电压为变压器二次电压的最大值，工作原理是全桥整流电路采用四个二极管构成，通过二极管相互对接，利用二极管单相导通性对交流电进行整流。利用四个二极管相互对接，其中两个二极管相互对接，两个二极管相互反接，利用单向导电性进行整流，在输入正弦波正半部分，两只管导通，输出电流正极，在输入正弦波负半部分，两只管导通，另两只管不通，输出电流正极，因此得到一个单相脉冲直流电。桥式整流电路克服了全波整流电路的要求变压器存在中心抽头与二极管之间的反压较大的缺点，是对半波整流的改进。降压整流滤波电路由变压器和四个同型号整流二极管以及电解电容构成。桥式整流电路的工作原理如下：（1）在变压器E2为正半周的情况下，电流通过D1,D3从上往下流经电阻R形成上下负的半波整流电压，形成正电压；（2）在变压器E2为负半周的情况下，电流通过D2,D4从下往上流经电阻R形成上下负的半波整流电压，形成正电压。在正负半周交替循环，可以得到全波整流单相脉冲直流电。图6桥式整流原理图本降压整流滤波电路，通过变压器T1将市电电源单相交流电220V电压降低成整流电路所需电压交流24V，通过全桥整流电路，采用型号为1N5391整流二极管构成整流桥，对变压器输出的24V交流电进行直流整流，交流电经过整流桥整流后输出单相直流电，由于该整流电路中的电压存在较大的脉冲，需要采用一个电解电容进行滤波，采用一个35V2200µF电容C1并联与电路中，滤除电压中高次谐波和脉冲，降低脉冲对直流电的影响。图7降压整流滤波原理图1.5直流降压电路直流降压电路采用LM2596芯片进行整体直流降压稳压，通过电位器调节得到所需要蓄电池充电输入所需要的直流电压12V，LM2596芯片相比于线性稳压IC，工作效率较高，发热量小，可调节输出范围大，具有较好的线性和负载调节特性，能够输出驱动电流3A，常用于直流降压电路。直流降压电路由LM2596降压模块和整流二极管、电容、可调节电位器组成。LM2596工作做原理：LM2596开关电源调节器是降压型电源管理单片集成电路，可调节范围小于37V的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，其中包含150KHZ振荡器、1.23V基准稳压电路、热关断电路、功率限制电路、放大器、比较器和内部稳压电路等，内部结构如图8。在额定的输入和额定输出下,LM2596具有±4%的输入和负载电压容差与±15%的振荡器频率容差。还具备外部开启或切换的功能,待机电流的典型值一般是80µA。自保护特点主要是由于两级频率下降低了输出开关电流的限制,以及提供完全过热保护的过热开关断电能力。可以直接采用电感,降低器件的布局，使用少量器件就能使用LM2596进行输出，能更加高效的利用LM2596进行降压处理。表1LM2596引脚功能图引脚名称功能VINIC开关电源直流电源电压输入端，引脚上必须有合适的输入旁路电容器，以将电压瞬变降至最低，并为调整器提供所需的开关电流，其最高值可达40V，最低值为4.5VOUTPUT内部开关，直流电压输出端，开关管发射极开路输出端。最高输出为37V，最低值为1.2VGND输入输出公共接地端FEEDBACK一个稳压读取的电压输入端,感测调整后的输出电压以完成反馈回路此脚通常接触到输入的电压,并且通过IC内部的分压网络监测到输入电压变化。当一个振荡器输出的电压增大或者是减小时,该脚的电压按照一定的比例对其进行了增大或者是减小,经与内部的基准稳压值1.23V相对应地进行了比较,内部的放大器就能够自动地调节振荡器输出的占空比,使得振荡器输出的电压也没有所减小或者是增大。从而能够通过额定地达到使得输入的电压继续稳定地工作;/ON/OFF：是使能控制端,允许使用一个逻辑信号来关闭整个开关稳压器的电路,从而将总输入的电源和电流下降至大约80µA,控制着整个输出端电压的是否有无,将此引脚拉到大约1.3V的阈值输入电压以下会自动打开调整器,而将此引脚拉到1.3V以上(最高可达25V)将关闭调整器。如果不满足此次的关机功能,则开/关引脚既可以通过一个接线转换为相应的接地引脚,也就是可以继续保持启动和关闭的状态。在任何一种条件下,调节器都会保持在ON的状态。图8LM2596内部原理图直流降压电路采用LM2596开关电源调节器，输入直流电24V经一个电容C2100uF/50V、C3整流滤波，滤掉不稳定杂流，再通过LM2596IC芯片降压，通过电位器调节输出电压值，通过并联整流二极管和电感L1调节电位器RA1输出幅值为12V电压，在通过电容C4、C5220uF/35V，耐压值大于35V、C6对电路进行瞬间整流，滤波，抑制较高频率电磁波干扰，让直流电源变得纯净，反向隔离电源，对交流信号进行隔离，使输出电流均匀平稳。图9直流降压电路原理图1.6切换电路采用继电器控制市电电源与备用电源切换，当电网正常运转时，备用电源处于关闭状态，不提供电流输出，由电网通过逆变电路输出至负载设备，正常电源出现故障中断自动切换储能设备对负载设备进行逆变输出供电，保障负载设备正常工作不断电。继电器工作原理：继电器内部分别包含一个常开触点和一个常闭触点,市电电源接入一个常开触点,当有一个电流经过时,常开触点自动闭合,继电器吸合工作,备用电源不工作,当一个市电网出现故障或断电时,常开触点自动停止断开,自动吸合常闭触点,备用电源就会开始向逆变器输送一个电流,经常闭触点逆变后变成一个交流电提供给高负载的设备,保证了该设备的正常运行,所以该设备用电源就是通过接触器的线圈走继电器的常闭触点进行工作,而在正常工作电源则是通过接触器的线圈走继电器的常闭触点进行工作。1.7单相全桥逆变电路与驱动电路单相全桥逆变电路是由四个MOSFET-N管和驱动辅助电路构成，单相全桥逆变电路是整个UPS电源的核心部分，负责经过整流滤波后市电电源和蓄电池备用电源的直流电转换成符合负载设备需要的额定电压，恒定频率、精度高、失真度小的高质量正弦波电源，让负载正常工作。驱动电路采用IR2104半桥驱动内置死区，与全桥电路产生互补的PWM波。电路原理图如图10所示。图10全桥逆变与驱动电路图1.7.1单相全桥逆变电路单相全桥电路由四个场效应管组成，型号为IRF540N构成。IRF540N是以金属层的栅极隔着氧化层利用电场的效应来控制半导体的场效应晶体管。通过栅极电压控制漏极电流，MOS管是压控器件它通过加在栅极上的电压控制器件的特性，所需驱动功率小，开关速度快，工作频率高、无存储效应等特点，MOS管内部结构如图11。图11MOS管的工作原理图10中D3、D4、D6、D7是四个型号为FR107场效应管的续流二极管,反向恢复时间250ns，最大正向电度流1A，反向耐压1000V。FR107属于快速恢复二极管，能消除逆变电路中场效应管关断产生的反向电动势对场效应管造成损坏。单相全桥逆变电路工作的基本原理：1.如图12，Q1，Q4和Q2，Q3分别组成一对半桥，D1、D2、D3、D4是四个场效应管的续流二极管，对电流起到续流作用。1.当Q1，Q4工作时，基极控制脉冲都为高电平时，Q1，Q4处于导通状态，极性左正右负，输出电压为正。3.当Q2，Q3基极控制脉冲都为高电平时，Q2，Q3处于导通状态，极性左负右正，输出电压为负。通过改变工作频率，使MOS管Q1，Q4和Q2，Q3分别处于一开一关状态，分别相互交替导通，两个桥臂A相B相相位相差180度，输出正弦交流电，这时需要续流二极管，对电流起到续流作用。图12单相全桥逆变电路原理只要控制四个MOS管的分别处于不同的导通状态就可以得到一个交替变化的电压值，但由于MOS管不断处于开闭状态，会产生干扰电流输出的高频谐波，需要采用整流滤波LC电路，结构简单，通过电感电容将电流调平，对多个谐波进行滤波，降低整流电压脉冲，获得较为平滑的正弦波形。1.7.2全桥逆变器驱动电路由于采用了桥式MOSFET作为控制电流交替变化输出，上下管均为N-MOS，采用IR2104芯片作为全桥逆变器的驱动电路，在驱动MOSFET-N管时能提供较大的栅极驱动电流，IR2104芯片能与全桥电路中点电压的浮动性产生互补且存在死区间隔的PWM波。要保证输出电压的稳定，需要IR2104芯片的VCC于VDD前分别增加一个普通电容和一个电解电容进行滤波。图13半桥臂驱动电路图利用半桥驱动芯片驱动上下桥电路，通过外接二极管和电容给内部电路充电，提高MOS管的驱动电压，分别通过HO口驱动上桥臂和LO口驱动下桥臂，MOS管存在寄生电容需要串联一个电阻，是限制G极地电流，抑制震荡，减少震荡电路Q值，防止电路故障。图14IR2104引脚分配图表2IR2104引脚功能图引脚号引脚名称功能1VCC低压侧和逻辑固定供电电源，电源10V-20V2IN高侧和低侧栅极驱动器输出，逻辑输入3/SD用于关断逻辑输入，低电平有效，低电平时上下管均处于关闭状态4COM公共接地端5LO低侧栅极驱动输出，与IN取反6VS高侧浮动电源返回7HO高侧栅极驱动输出，与IN相同8VB高侧浮动电源图15IR2104内部逻辑原理图IR2104芯片具有较大的驱动能力，可驱动600伏的高侧配置MOSFET-N工作；栅极驱动电压范围从10到20V；内部能在上半桥关断后，延迟一段时间再打开下半桥或在下半桥关断后，延迟一段时间再打开上半桥，从而避免功率元器件烧毁；耐负瞬态电压。IR2104芯片工作原理：IR2104的控制信号来自IN与／SD端，应保持／SD端持续处于高电平，HO=IN；LO取反IN，PWM输出将持续是高电平，当／SD处于低电平，不管IN输入什么，HO和LO都为0。当信号输入IN端，内部会进入死区时间设置，同/SD一起经过与非门，经过推挽输出电流。采用推挽输出能提高PWM波的上升与下降时间。1.8电流检测电路电流检测电路采用霍尔IC电流传感器芯片ACS712，具有准确的低偏置线性,可以直接检测交流电流和直流电流,传感器电路和其之间的一条位于附近的铜传导路径图表面的霍尔IC电路是相同一个小片,施加电流,使电流流经铜制电路路径产生磁场，能被集成霍尔IC进行电磁感应,被集成霍尔IC转换为相同的比例和电压,准确地集成了比例和电压,它们都是由高度稳态斩波式BiCMOS霍尔IC进行设计和提供。串联在电流回路中,外围电路简单,带抑制干扰,无需检测电阻,具有80~120KHz的带宽,电容取值大,带宽小,噪声小,适合于对精度要求不高的场合，内部逻辑结构如图16。图16ACS712内部逻辑原理图图17ACS712引脚图表3ACS