電源：數字化控制UPS中電池電壓的檢測方法

1. 引言

隨著用電設備對電源系統可靠性要求的進一步提高，能夠獲得持續、穩定的純凈電源的UPS得到了越來越廣泛的使用。在線式UPS工作原理圖如圖1(a)所示，當市電供電正常時，市電一方面經充電器給蓄電池充電，另一方面經整流器變成直流后送至變壓器，經逆變器變換成高質量的交流電供給負載;當無市電或市電供電異常時，由蓄電池通過逆變器向負載提供電能，保證負載供電不間斷，此時UPS電源將完全依靠儲存在蓄電池中的能量來維持其逆變器的正常工作。因此，正確、及時地檢測出蓄電池的電壓狀態就成了UPS系統可靠運行的一個必不可少的組成部分[1,2]。

數字化控制技術在UPS中的應用日益廣泛[3]。在DSP控制的UPS中，為了提高系統可靠性，控制電路和包括蓄電池在內的主功率電路必須是隔離的，如圖1(b)所示，因此DSP必須對電池電壓進行隔離采樣[1]。隔離可以在數字量或模擬量端口實現,結構框圖分別如圖2(a)和圖2(b)所示。

圖1 在線式UPS的原理框圖　(a)結構框圖　(b)電氣隔離原理框圖

2.電池電壓的檢測方法

2.1 數字量隔離

參考圖2(a)，先將電池電壓經摸數轉換器(ADC)轉換成數字量，經隔離后再送入DSP。這種方案中，被隔離的是只具有高低電平的數字信號，一般的高速光電耦合器即可滿足要求。但是由于ADC與DSP相連的每根信號線都需加以隔離，并行ADC雖然可以獲得較快的傳輸速度，但并行輸出的特點決定了其隔離電路的復雜性，從系統的簡單性考慮，宜選用串行ADC來實現。

該方案的電路實現原理框圖如圖3所示，檢測回路主要由串行模數轉換器ADC, 高速光耦和TMS320F240的同步通信接口SPI口組成，通過A/D轉換，模擬輸入量電池電壓被轉化為數字信號以適應DSP的同步通信接口SPI的傳輸要求。電池電壓的采樣是用MAXIM公司生產的串行A/D轉換器MAX189實現的，MAX189是+5V、低功耗的12位串行ADC，電池電壓E經分壓后送入MA189的模擬電壓輸入引腳AIN，在SPI口的同步時鐘控制下被轉化成串行數據輸出，DSP通過讀取SPISOMI寄存器即得到采樣電壓的值。

圖4(a)為MAX189的工作時序，CS為高電平時，輸出引腳Dout為高阻狀態，CS引腳的下跳沿啟動A/D轉換。應用中將DSP的同步通信SPI口設置為主工作方式，SPISTE引腳設置為通用I/O口，將SPISTE引腳的信號線經隔離后與MAX189的CS引腳相連，通過軟件中改變SPISTE的電平狀態來決定A/D轉換的啟動或停止，從而控制采樣的具體時間。A/D轉換結束后,Dout從高阻態跳變為高電平，Dout的上升沿表明A/D轉換的結束，在此之后即可讀取A/D轉換的結果。因MAX189是12位的串行數據輸出，而TMS320F240的SPI通信口每次至多可以傳輸8個數據位，故一次采樣結果須分兩次進行接收。

圖4　A/D和DSP的工作時序

(a)MAX189工作時序　 (b)SPI口的工作時

需要注意的是，TMS320F240的SPI通信口提供了四種工作時序[2]，如圖4(b)所示，實驗中應根據MAX189的工作方式對SPI口的時序進行適當選擇。

2.2 模擬量隔離

參考圖2(b)，該方案是在A/D轉換之前進行隔離，即先將電池電壓分壓隔離后再送入ADC進行轉換。因為被隔離的信號是模擬量，隔離前后的信號必須成線性關系，可以選用精度較高的線性光耦實現。此處采用HCNR200線性光耦。

HCNR200線性光耦合器是由一個紅外光LED照射分叉配置的一個隔離反饋二極管和一個輸出光二極管組成，如圖5(a)。LED的光通量決定流經兩個二極管的電流的大小。由于HCNR200內部特殊的制造工藝，在一定的輸入電流范圍里，它的電流傳輸比保持不變，輸出光二極管產生的電流信號與反饋光二極管產生的電流信號成線性比例關系。由圖5(b)：

(1)

(2)

式(1)、(2)中

分別為隔離反饋二極管和輸出二極管的電流，

為電池電壓經分壓后的值，

為輸出結果，送到TMS320F240的A/D轉換成數字量以供CPU的處理。

根據式(1)、(2)，輸出電壓與輸入電壓的關系表達式如下：

(3)

式(3)中

為電流傳輸比，HCNR200的K約為0.85—1.25

圖5(b)中Q1,R3,R4,R5,R6構成了LED的驅動回路，因Q1的放大作用，使得在輸入電壓較小的情況下，LED的電流不致于太小。該驅動回路的加入提高了系統的增益，保證了低輸入電壓情況下光耦的線性度。