多功能直流UPS的設計
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3.3蓄電池的壽命
蓄電池使用壽命縮短的主要原因有以下幾個方面：
（1）放電深度和幅度大容量放電和大電流放電都會縮短蓄電池的使用壽命，所以在蓄電池放電時，一定要有放電深度限制（設置放電下限電壓控制），以防止電池過放電；
（2）充電容量和幅度太大的充電電流會產生大量的氣體，以致超過電池的吸收能力，導致電池內部壓力增大，使氣體甚至電解液從閥門逸出電池體外，造成電池失效。過充電會造成電池極板老化，縮短電池壽命，所以，為了保證蓄電池隨時處于100％滿容量，又延長使用壽命，恒流恒壓充電是最合適的；
（3）環境溫度溫度過高和過低都會降低電池的使用壽命。
DCUPS的實現方案由于設計要求、設計思想、設計風格的不同而多種多樣。從可靠性、性價比等技術經濟的角度，我們制定如圖3所示方案。
4.1輸入融合
為了盡量減少蓄電池的起用時間，延長壽命，交流輸入端采用多路并聯輸入。這樣只要其中一路有電，系統就由電網供電，而不必起動備用電池。
分別將各路交流輸入整流變換為直流脈動電壓，再進行直流無擾切換，將多路輸入融合為一路輸出。直流切換的優點是：電路簡單，可靠性高，無觸點切換，對外圍電路輻射干擾小。多路融合還可以利用三相輸入電壓相位的不同，提高整流效率。
4.2直流變換
考慮到充放電控制及輸出電路對輸入電壓數值及穩定性的要求，先將整流濾波后的直流高壓進行一次變換是必要的，而且這對提高后級工作可靠性，延長使用壽命都有很大好處。
按圖2所示原理，DCUPS只有一路輸出，而且其端電壓在輸入失電時隨電池能量的減小而降低。所以，為了滿足多路輸出及電壓穩定的要求，往往要在輸出級加上二次直流變換。當然，對于遠程負載或多用戶負載，先將單路輸出送至用戶端，再進行二次直流變換，不失為一種好方案，這樣可以減小串擾，提高供電質量。
至于DC/DC變換器，其電路形式和工作方式多種多樣，但由于其成熟的工業品已經較為普及，所以只需選訂相關的品牌及參數即可。目前質量較好的有：美國的VICOR、INTERPOINT，日本的COSEL、λ，法國的GAIA、ETRI，瑞典的ERICSSON等品牌。
4.3充放電控制
結合第2節、第3節中對UPS和蓄電池原理及性能的討論，我們采用恒流恒壓方式自動充電、二極管導引的充放電自動切換和放電下限電壓限制（自動切斷負載通路）。
圖4DC－UPS原理電路
二極管導引的充放電自動切換，雖然損失一定的電壓（二極管導通壓降，小于1.0V），但其優點是無觸點，響應速度快，可靠性高，且兼有反向極性保護功能。
如前所述，設置放電深度限制是必須的，由于放電容量及剩余容量不好測定，故在工程上常用電池的端電壓來粗略估計，即以放電時的端電壓來標明電池的剩余容量。所以設置放電下限電壓來限制放電的深度。
5設計實例
我們以某型通訊機電源為實例，來設計一臺實用的DCUPS。
5.1技術指標
該機主要技術指標如下：
（1）輸入：每相AC220V±20％，三路輸入（三相星形接法）；
（2）輸出：DC＋5V/3A，DC±12V/1.5A，DC＋24V/1.0A，四路輸出；
（3）失電持續供電時間>1h；
（4）工作環境：戶外（工業品級）。
5.2原理電路
按圖3所示方案設計的原理電路如圖4所示。其主要設計依據如下:
（1）由于輸出級要求四路同時輸出，且電壓數值各異，因此末級必須加入DC/DC變換器。要求POmax=75W、四路輸出，所以選用INTERPOINT公司的（HR70328512），因為＋24V支路可浮地輸出，故跨接在±12V支路上。取輸入電壓UIN=24V，即蓄電池電平為24V。由于充電器采用LM217恒流，要求輸入端電壓UImin≥（27.5＋1.25＋2.5）=31.25V。
其中：27.5V為蓄電池充電上限電壓
1.25V為LM217的基本壓差
2.5V為LM217的最小工作壓差
所以前級DC/DC變換器選用VICOR公司的(VIJ64CW)，將其輸出電壓調至32V；
（2）由于POmax=75W，蓄電池端電壓為24V，則IOmax=3.125A。要求持續工作1h，即要求電池的有效容量C′>3.125Ah。根據表3數據，對于1h放電率，其有效容量C′=0.6C，所以電池標稱容量C≥3.125/0.6=5.2Ah。考慮溫度影響、后級效率、設計裕量及產品規格等因素，可選用Deka牌12V/7Ah電池兩塊（串聯）；
（3）充電控制電路采用了充放電控制專用芯片CC2024和三端穩壓集成塊，使得整個電路即簡單又可靠。
恒流電路由LM217構成（IC=0.7A）。由于三端集成穩壓器參數優良，過載能力強，而且具有全功能自保護（過流、過壓、過熱），由其構成恒流源電路，性能可靠，性價比高。
CC2024是為24V電池充放電控制設計的專用厚膜集成電路，其主要功能如下：
（1）充電上限電壓限制UOmax=27.5V（計算依據參見表1）；
（2）放電下限電壓限制UOmin=21.5V（計算依據參見表2）；
（3）蓄電池反極性報警當電池的極性接反時，
外接蜂鳴器報警；
（4）充電上限電壓溫度補償。
6實驗數據
為了驗證設計的正確性及電路的可行性，我們對按圖4組裝的40套DCUPS進行了4套抽樣實驗。其在線工作性能如表4所示。
表4數據表明，該機電源調整率極低（因為采用兩級直流變換），負載調整率及溫度漂移均較小，全溫全載范圍起動性能良好，充電控制及溫度補償作用明顯，符合設計標準。
表4某型DCUPS在線工作性能實驗數據
| 環境溫度(℃) | 負載電流 | 輸出電壓（V） | ＋5V/3A支路 | ＋12V/2.5A支路 | －12V/2.5A支路 | 充電支路 | 起動性能 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 市電進線電壓波動±20％（V） | 充電電流（mA） | 上限電壓（V） | ||||||||||||
| 176V | 220V | 264V | 176V | 220V | 264V | 176V | 220V | 264V | ||||||
| －15 | 0A | 直流電壓 | 5.13 | 5.13 | 5.13 | 12.12 | 12.12 | 12.12 | －11.97 | －11.97 | －11.97 | 689 | 27.56 | OK |
| 紋波峰值 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | |||||
| Iomax/2 | 直流電壓 | 5.09 | 5.09 | 5.09 | 12.14 | 12.14 | 12.14 | －11.89 | －11.89 | －11.89 | 689 | 27.56 | OK | |
| 紋波峰值 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | |||||
| Iomax | 直流電壓 | 5.08 | 5.08 | 5.08 | 12.02 | 12.02 | 12.02 | －11.85 | －11.85 | －11.85 | 689 | 27.56 | OK | |
| 紋波峰值 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | |||||
| ＋25 | 0A | 直流電壓 | 5.12 | 5.12 | 5.12 | 12.10 | 12.10 | 12.10 | －11.95 | －11.95 | －11.95 | 698 | 27.40 | OK |
| 紋波峰值 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | |||||
| Iomax/2 | 直流電壓 | 5.09 | 5.09 | 5.09 | 12.06 | 12.06 | 12.06 | －11.90 | －11.90 | －11.90 | 698 | 27.40 | OK | |
| 紋波峰值 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | |||||
| Iomax | 直流電壓 | 5.07 | 5.07 | 5.07 | 12.03 | 12.03 | 12.03 | －11.86 | －11.86 | －11.86 | 698 | 27.40 | OK | |
| 紋波峰值 | 0.05 | 0.05 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.20 | |||||
| ＋45 | 0A | 直流電壓 | 5.10 | 5.10 | 5.10 | 12.06 | 12.06 | 12.06 | －11.92 | －11.92 | －11.92 | 704 | 27.32 | OK |
| 紋波峰值 | 0.05 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | |||||
| Iomax/2 | 直流電壓 | 5.07 | 5.07 | 5.07 | 12.01 | 12.01 | 12.01 | －11.85 | －11.85 | －11.85 | 704 | 27.32 | OK | |
| 紋波峰值 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.20 | |||||
| Iomax | 直流電壓 | 5.06 | 5.06 | 5.06 | 11.98 | 11.98 | 11.98 | －11.80 | －11.80 | －11.80 | 704 | 27.32 | OK | |
| 紋波峰值 | 0.10 | 0.10 | 0.15 | 0.20 | 0.20 | 0.25 | 0.20 | 0.20 | 0.25 | |||||
| ＋75 | 0A | 直流電壓 | 5.07 | 5.07 | 5.07 | 12.01 | 12.01 | 12.01 | －11.87 | －11.87 | －11.87 | 710 | 27.14 | OK |
| 紋波峰值 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.20 | 0.20 | 0.20 | |||||
| Iomax/2 | 直流電壓 | 5.05 | 5.05 | 5.05 | 11.97 | 11.97 | 11.97 | －11.81 | －11.81 | －11.81 | 710 | 27.14 | OK | |
| 紋波峰值 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.20 | 0.20 | 0.20 | 0.25 | 0.25 | 0.30 | |||||
| Iomax | 直流電壓 | 5.03 | 5.03 | 5.03 | 11.94 | 11.94 | 11.94 | －11.76 | －11.76 | －11.76 | 710 | 27.14 | OK | |
| 紋波峰值 | 0.20 | 0.20 | 0.25 | 0.25 | 0.25 | 0.30 | 0.30 | 0.30 | 0.35 | |||||
其離線（斷開電網輸入）工作性能實驗數據如表5所示。
表5離線工作性能實驗數據
| 環境溫度（℃） | 負載功率（W）＊ | 持續工作時間(min) | 斷點電壓(V)＊＊ |
|---|---|---|---|
| －15 | 75 | 73 | 21.30 |
| ＋25 | 75 | 82 | 21.53 |
| ＋45 | 75 | 84 | 21.62 |
×(－2.5A)設定；
＊＊注2北碇卸系愕繆故侵阜諾緲刂頻緶范峽負載時的
電池端電壓。
7結語
本文研究表明：
（1）恒流恒壓方式充電是保證蓄電池滿容量、延長使用壽命的最佳方案；
（2）多路輸入的直流無擾切換是提高系統可靠性和效率的首選方案；
（3）用LM317及CC2024實現充放電控制電路簡單、成本低、可靠性高。
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