基于51單片機的數控UPS電源設計

張志榮

(中北大學 朔州校區，山西 朔州 036000)

0　引　言

UPS不間斷電源是由電池組和其他電路組成，能在電網停電時提供交流電力的電源設備。不間斷電源現已廣泛應用于航天、工業、通訊、國防等領域[1]。UPS種類多樣，實現方法各不相同，系統復雜。本系統完成一臺輸出電壓等級為24 V和36 V、輸出頻率為50 Hz和400 Hz且可切換的UPS后備式變頻電源。50 Hz和400 Hz是工頻和中頻典型值，24 V和36 V也是工業、軍事常用電壓等級。電瓶充電方法采用較為先進的慢脈沖充電法，同時還加入主動式功率因數校正電路使功率因數達到0.9以上。

1　系統設計

市電經過工頻變壓器降壓、整流橋整流后的脈動半波電壓接入由UC28019控制芯片構成的主動式高功率因數校正器，經校正后輸出20 V的直流電作為系統主電源并接入電源切換管理電路，同時12 V蓄電池也接入切換管理電路。蓄電池接電池充電管理器，在市電正常時對蓄電池進行慢脈沖充電。電源切換管理電路由LM393構成的窗口電壓比較器加繼電器模塊實現，當市電電壓在正常范圍內時由市電供電，市電電壓不在正常范圍內或斷電時切換為電瓶供電。電源切換管理電路輸出的電壓送入由TL494組成的前級推挽DC/DC變換器，得到的直流電壓送入后級正弦波橋式逆變電路中逆變，輸出經低通濾波器濾波后，得到純凈的正弦波。主控MCU負責逆變信號的產生、系統的安全監測等，起著非常重要的作用。系統整體結構如圖1所示。

圖1　系統結構框圖

2　前級DC/DC變換

2.1　推挽拓撲結構

來自電瓶或市電整流濾波后的直流電壓，經由推挽變換器[2]兩個開關管的輪流導通變換，使初級兩極線圈中產生方向相反的勵磁電流，并在次級感應出高頻交流電。輸出經過四個肖特基高速二極管構成的全橋整流電路后，變為脈動直流電，再經由兩個高頻電解電容和一個磁環電感組成的π型濾波器，得到穩定的紋波系數很小的直流電壓送入逆變后級使用。推挽拓撲結構如圖2所示。

2.2　TL494推挽控制

推挽變換器的兩個開關管的開關信號由TL494給出，輸出形式為雙端輸出。利用TL494自帶的兩個誤差放大器[3]，構成兩個閉環反饋，即穩壓環和限流環。限流環在額定電流時不起作用，不能對穩壓環造成干擾，只有當電流超過限定電流時才加以干預，減小占空比，降低輸出電壓，達到限流目的。本系統中的TL494應用原理如圖3所示。

圖2　推挽拓撲結構示意圖

圖3　TL494應用原理圖

3　后級SPWM逆變

3.1　全橋拓撲結構

后級逆變電路結構采用全橋拓撲方案，由4只IRF3205組成H橋式結構，Q1、Q4和Q2、Q3分別互為兩組對角，工作時兩組對角輪流導通[4]。MOS驅動芯片選用IR2104自舉升壓驅動方案，因為全橋結構的四只功率管不共地，高端開關管的源極會在同一側橋臂的下管關斷時電位被抬升至電源電壓，如果直接驅動，上管將無法開啟，逆變電路不能工作，因此需要選用自舉升壓電路來實現對高端功率管的開通。當下管導通時，電源VCC將通過二極管對電路中的自舉電容充電。下管關斷后自舉電容一側電位被抬升，另一側電位疊加VCC形成比電源電壓更高的電壓加在上管的柵極使上管導通，如圖4所示。

圖4　全橋逆變原理圖

3.2　軟件SPWM生成

SPWM正弦脈寬調制信號的產生，使用宏晶公司生產的STC15W408AS增強型8位51單片機。該芯片片上功能豐富，自帶三路PCA/PWM模塊，內部集成高精度RC時鐘電路，最高可達33 MHz，自帶硬件看門狗可防止逆變信號異常。

SPWM正弦脈寬調制是靠芯片自帶的PCA/PWM模塊實現的[5]，芯片自帶3個捕獲比較模塊，本設計中用到其中兩路。調制方法為單極性正弦脈寬調制，基本原理為等效面積法，原理如圖5所示，即在一個正弦周期內用寬窄不等的方波來等效正弦波。利用這一思想，將單片機的PCA模塊通過相關寄存器配置為PWM輸出，輸出占空比呈周期性正弦規律變化，將占空比數值通過計算制成正弦波表存入芯片ROM中，在程序執行時以供調用。

圖5　等效面積法示意圖

4　主動式功率因數校正

UCC28019是一款8引腳的連續導電模式(CCM)控制器，該器件具有寬泛的通用輸入范圍，適用于100 W至2 kW以上的功率變換器[6]。本系統中UCC28019使用Boost拓撲結構，工作于電流連續導電模式。UCC28019主要通過兩個外部控制環路來實現功率因數校正的目的，使電流波形正弦化，電壓、電流相位差達到最小。其典型應用電路如圖6所示。

外圍電路相關參數的計算比較復雜，可使用美國德州儀器(Texas Instrument)官方網站(WWW.TI.COM)給出的輔助計算軟件來進行初步的理論值計算，結合后期的實際調試，使電路達到最好的工作狀態，達到高功率因數校正的目的，同時減少開發難度和節省時間。

圖6　UCC28019典型應用電路

5　慢脈沖充電法

UC3909是由美國Unitrode公司推出的一款蓄電池專用充電控制管理芯片[7]。利用UC3909充電控制器,可以組成開關型鉛酸電池快速充電器。基于鉛酸蓄電池的特性，采用四段式方法為電池充電，四階段充電方式充電狀態如圖7所示。四階段充電方式可以為蓄電池提供在不同狀態時合適的充電電壓和電流，將恒流充電快速安全地對蓄電池進行初始充電和恒壓充電有效地結合起來，從而使蓄電池的容量達到額定值，延長其壽命。四個階段描述如下：

(1)狀態1：涓流充電(T0～T1)。當蓄電池的電壓低于終止電壓即所設定的門檻電壓時，充電器將提供一個很小的充電電流進行充電，這是防止恒流充電時的大電流灌入損壞蓄電池。

(2)狀態2：恒流充電(T1～T2)。充電器提供一個恒定的充電電流給蓄電池。在這個階段，蓄電池的容量快速增加，直到蓄電池的電壓上升到過壓充電電壓，蓄電池進入過壓充電。

(3)狀態3：過壓充電(T2～T3)。在過壓充電狀態，充電器提供一個略高于蓄電池額定電壓的恒定電壓給蓄電池，以使蓄電池能量最后達到飽和。這個階段充電電流逐漸減小。

(4)狀態4：浮充充電(T3～-)。充電器提供一個恒定的帶有溫度補償的電壓給蓄電池，來維持蓄電池容量保持不變，同時會提供很小的浮充電流，彌補蓄電池自身放電造成的容量損失。

圖7　四段式充電方法示意圖

6　結束語

本系統完成了一款工頻與中頻兼備的UPS低壓數控電源設計，可輸出24 V～36 V的正弦交流電壓，輸出工頻與中頻可一鍵切換。系統擁有完善的人機交互模塊，可對關鍵參數進行顯示。系統保護功能完善，可防止過流、過壓、過載的情況發生，保護負載安全。系統設計合理，工作穩定可靠。

參考文獻：

[1]趙亮. 單相UPS逆變系統控制技術研究[D].成都：西南科技大學,2016.

[2]姜艷姝,郭東,徐興. 基于推挽電路的大功率直流電源設計[J]. 電氣傳動,2016,46(05):49-52.

[3]賈正松,羅凌,佘青松. 基于TL494升壓型DC-DC穩壓電源的設計[J]. 兵工自動化,2014,33(06):86-89.

[4]吳軍. 基于UC3846的全橋開關電源的設計[D].鄭州：鄭州大學,2012.

[5]郭鵬偉,孟青，等. 基于增強型51單片機的工頻與中頻SPWM波產生[J]. 通信電源技術,2017,34(01):39-42.

[6]沈天益,淮攀奇,符影杰. BOOST-APFC開關電源系統的Matlab仿真研究[J]. 工業控制計算機,2016,29(02):138-139.

[7]湯秀芬,米晨. VRLA蓄電池用慢脈沖快速充電器的設計[J]. 電源技術,2008,(01):56-58.