一種小型UPS電源的嵌入式設(shè)計(jì)

引言

　　該類小型智能化UPS 電源主要應(yīng)用在通信行業(yè)、醫(yī)療設(shè)備和移動(dòng)機(jī)器人等低電壓場(chǎng)合，具備運(yùn)行可靠、噪音小、能耗低等特點(diǎn)。目前國(guó)外多所高校和公司在針對(duì)該類UPS 進(jìn)行研究和試制，并且在小型交流UPS 電源上取得了一些進(jìn)展。但是國(guó)內(nèi)所進(jìn)行的相關(guān)研究尚處于起步階段。

　　不同于多數(shù)交流輸出的UPS 電源，本文提出的小型UPS 電源是通過(guò)控制相應(yīng)的DC-DC 模塊直接獲得直流輸出，避免了轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損耗。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用了嵌入式設(shè)計(jì)思想，將主控芯片與外圍功能電路融合在同一塊電路板中，軟硬件協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)UPS 的智能化管理并大大減小系統(tǒng)的體積。

　　1 硬件系統(tǒng)

　　1.1 系統(tǒng)概述

　　如圖1 所示，根據(jù)項(xiàng)目需要，設(shè)計(jì)以110 V/50Hz 的交流電為市電輸入，通過(guò)開(kāi)關(guān)電源模塊將110V 交流電轉(zhuǎn)換成12 V 的直流電。同時(shí)該模塊內(nèi)置市電檢測(cè)模塊，用來(lái)產(chǎn)生市電掉電信號(hào)，并將信號(hào)傳送給主控芯片。市電經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電源AC-DC 轉(zhuǎn)換后得到12 V 直流輸出并通過(guò)LTC4256 熱插拔保護(hù)模塊供給負(fù)載。同時(shí)該直流輸出經(jīng)過(guò)LTC1512 充電模塊穩(wěn)流后對(duì)鋰電池組進(jìn)行充電。當(dāng)系統(tǒng)工作在電池組供電模式時(shí)，鋰電池組通過(guò)LTC3780 放電模塊為負(fù)載提供12 V 直流供電。

圖1 系統(tǒng)整體方框圖

　　1.2 主控芯片

　　為了提高系統(tǒng)的集成度，設(shè)計(jì)采用內(nèi)部集成AD 轉(zhuǎn)換功能單元的C8051F320 作為主控芯片。該芯片內(nèi)含兩個(gè)外部中斷源（INT0,INT1）以及一個(gè)可編程計(jì)數(shù)器陣列（Programmable Counter Array,PCA）， 可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多路I/O 信號(hào)及產(chǎn)生方波控制信號(hào)。

　　主控芯片通過(guò)不斷讀取鋰電池組電壓、溫度、充電電流以獲知系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀況。當(dāng)捕捉到市電掉電信號(hào)時(shí)，主控芯片迅速給LTC3780 發(fā)出工作信號(hào)（高電平），并給LTC1512 發(fā)出關(guān)閉信號(hào)（低電平），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的不間斷供電；當(dāng)捕捉到市電來(lái)電信號(hào)時(shí)，主控芯片給出相反的邏輯電平，切換為市電供電狀態(tài)。

　　1.3 市電檢測(cè)模塊

　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)主控芯片及其他外圍芯片的隔離保護(hù)，市電檢測(cè)模塊通過(guò)PC817 型光耦將市電掉電信號(hào)接入主控芯片：當(dāng)市電正常供電時(shí)，在光敏二極管的驅(qū)動(dòng)下，主控芯片的對(duì)應(yīng)引腳直接被接地置低；當(dāng)市電掉電時(shí)，光耦斷開(kāi)，對(duì)應(yīng)引腳被3.3 V 電源置高。主控芯片通過(guò)中斷程序監(jiān)測(cè)該引腳上邏輯電平的變化得到市電供電的狀態(tài)從而控制UPS 電源工作在相應(yīng)狀態(tài)。

　　1.4 電源管理模塊

　　電源管理模塊由電源選擇單元和穩(wěn)壓芯片組構(gòu)成。設(shè)計(jì)采用電源選擇芯片LTC4416 實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電源選擇。電路如圖2 所示，開(kāi)關(guān)電源輸出為主電源，鋰電池組為從電源。其工作方式為：當(dāng)市電供電時(shí)，LTC4416 通過(guò)E1 引腳判定主電源供電正常； 當(dāng)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓低于Vf a i l（圖中電路Vf a i l為8.9 V）時(shí)，LTC4416 判定主電源供電故障， 選擇鋰電池組對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部供電。電源選擇電路不僅保證了系統(tǒng)內(nèi)部正常供電，也增加了電池組的工作時(shí)間。穩(wěn)壓芯片組將選擇后的電源分別穩(wěn)壓為5 V 和3.3 V,并提供給相應(yīng)的模塊， 系統(tǒng)內(nèi)部電源分配如圖3 所示。

圖2 LTC4416 電源選擇模塊電路

圖3 系統(tǒng)內(nèi)部電源框圖