一種小型智能化UPS系統的嵌入式設計方案

摘要：針對直流不間斷電源紋波小、輸出穩定的特點，提出了一種小型智能化UPS 系統的嵌入式設計方案。系統結合高效AC-DC 模塊、LTC1512 穩壓充電模塊、LTC3780 高性能降壓-升壓型放電模塊和LTC4256 熱插拔保護模塊，以獲得純凈、穩定的直流輸出。嵌入式系統采用C8051F320 為主控芯片，通過ADC 監測、智能判斷、實時中斷保護等軟件方式實現UPS 持續可靠供電和智能化監控。測試結果表明： 該小型UPS 電源掉電切換時間小于5ms,能提供四路12±0.5 V 的穩定輸出，并具備電壓、電流、溫度異常等監控保護功能。

引言

該類小型智能化UPS 電源主要應用在通信行業、醫療設備和移動機器人等低電壓場合，具備運行可靠、噪音小、能耗低等特點。目前國外多所高校和公司在針對該類UPS 進行研究和試制，并且在小型交流UPS 電源上取得了一些進展。但是國內所進行的相關研究尚處于起步階段。

不同于多數交流輸出的UPS 電源，本文提出的小型UPS 電源是通過控制相應的DC-DC 模塊直接獲得直流輸出，避免了轉換過程中的能量損耗。在系統設計上采用了嵌入式設計思想，將主控芯片與外圍功能電路融合在同一塊電路板中，軟硬件協同工作以實現UPS 的智能化管理并大大減小系統的體積。

1 硬件系統

1.1 系統概述

如圖1 所示，根據項目需要，設計以110 V/50Hz 的交流電為市電輸入，通過開關電源模塊將110V 交流電轉換成12 V 的直流電。同時該模塊內置市電檢測模塊，用來產生市電掉電信號，并將信號傳送給主控芯片。市電經過開關電源AC-DC 轉換后得到12 V 直流輸出并通過LTC4256 熱插拔保護模塊供給負載。同時該直流輸出經過LTC1512 充電模塊穩流后對鋰電池組進行充電。當系統工作在電池組供電模式時，鋰電池組通過LTC3780 放電模塊為負載提供12 V 直流供電。

圖1 系統整體方框圖

1.2 主控芯片

為了提高系統的集成度，設計采用內部集成AD 轉換功能單元的C8051F320 作為主控芯片。該芯片內含兩個外部中斷源(INT0,INT1)以及一個可編程計數器陣列(Programmable Counter Array,PCA)， 可以同時監測多路I/O 信號及產生方波控制信號。

主控芯片通過不斷讀取鋰電池組電壓、溫度、充電電流以獲知系統當前的運行狀況。當捕捉到市電掉電信號時，主控芯片迅速給LTC3780 發出工作信號(高電平)，并給LTC1512 發出關閉信號(低電平)，從而實現對負載的不間斷供電;當捕捉到市電來電信號時，主控芯片給出相反的邏輯電平，切換為市電供電狀態。

1.3 市電檢測模塊

為了實現對主控芯片及其他外圍芯片的隔離保護，市電檢測模塊通過PC817 型光耦將市電掉電信號接入主控芯片：當市電正常供電時，在光敏二極管的驅動下，主控芯片的對應引腳直接被接地置低;當市電掉電時，光耦斷開，對應引腳被3.3 V 電源置高。主控芯片通過中斷程序監測該引腳上邏輯電平的變化得到市電供電的狀態從而控制UPS 電源工作在相應狀態。

1.4 電源管理模塊

電源管理模塊由電源選擇單元和穩壓芯片組構成。設計采用電源選擇芯片LTC4416 實現內部電源選擇。電路如圖2 所示，開關電源輸出為主電源，鋰電池組為從電源。其工作方式為：當市電供電時，LTC4416 通過E1 引腳判定主電源供電正常; 當開關電源輸出電壓低于Vf a i l(圖中電路Vf a i l為8.9 V)時，LTC4416 判定主電源供電故障， 選擇鋰電池組對系統內部供電。電源選擇電路不僅保證了系統內部正常供電，也增加了電池組的工作時間。穩壓芯片組將選擇后的電源分別穩壓為5 V 和3.3 V,并提供給相應的模塊， 系統內部電源分配如圖3 所示。

圖2 LTC4416 電源選擇模塊電路

圖3 系統內部電源框圖

1.5 后備鋰電池組

該UPS 電源采用14.4 V,3.3 Ah 可充電鋰電池組作為后備電池組，其最大充電電壓為17.4 V.電池組內部集成了控制芯片，供電后，控制芯片能產生充電完成信號、放電結束信號以及電池組溫度。

1.6 充電模塊及放電模塊

以LTC1512 為核心的充電模塊，通過電壓及電流反饋調節等方式將12 V 直流輸入轉換為16.8 V的恒流輸出向電池組充電。當電池組供電時，以LTC3780 為核心的放電模塊將電池組輸出穩壓為12 V 提供給負載。

為了實現對UPS 的智能化管理，系統需要對電池組電壓和充電電流進行監測。電池組電壓的測量方法為：將電壓分壓、濾波后送入主控芯片的AD 轉換單元，處理得到當前電壓值。充電電流則通過將采樣電阻兩端的電壓分別送入ADC 單元轉換得到電壓差值，進而推導出電流值。

1.7 熱插拔模塊

熱插拔保護即帶電插拔保護，允許用戶在不關閉系統、不切斷電源的情況下取出和更換硬盤、電源或板卡等部件。該UPS 電源優點之一是集成以LTC4256 為核心的熱插拔保護模塊，從而提高系統對災難的及時恢復能力、擴展性和靈活性等。此外LTC4256 還能起到抑制輸出紋波、提高電能質量的作用。