基于HY8204的低成本不間斷電源控制板設計

曹振華

摘 要： UPS是電子產品中最常用的電源設備之一，為電子設備提供不間斷的電源供給，降低了因斷電引起的系統癱瘓風險[1]。由于市面上的UPS體積龐大，不適合在靈活空間里放置，因而限制了它的應用領域。文章通過對UPS系統電源切換電路的改造，設計了一款基于HY8204的低成本不間斷電源控制系統（LCUPCS）。該系統體積小，成本低，在昆山信德佳電氣科技有限公司的智能工器具管理系統中取得了良好的使用效果。

關鍵詞： 不間斷電源； LCUPCS； MOS； HY8204

中圖分類號：TP399 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）12-39-03

Design of the LCUPCS based on HY8204

Cao Zhenhua

（Suzhou Institute of Trade & Commerce， Suzhou， Jiangsu 215009， China）

Abstract： UPS is one of the most commonly used power supplies in electronic products. It provides uninterrupted power supply for electronic equipment， to reduce the system paralysis risk caused by power failure. Because of the huge volume of UPS in the market， it is not suitable to be placed in flexible space， which limits its application field. In this paper， by reconstructing the power supply switching circuit of UPS system， a low cost uninterruptible power supply control system （LCUPCS） based on HY8204 is designed. This system is small volume and low cost， a good effect is obtained in the intelligent equipment management system of Kunshan Thinggood Electrical Technology Co. Ltd.

Key words： UPS； LCUPCS； MOS； HY8204

0 引言

一方面，目前市面上的UPS體積龐大，不適合在靈活空間里放置，這限制了它的應用領域；另一方面，市面上鋰電池體積小，使用靈活，但是沒法直接掛到電源系統里使用，如果直接掛載，就會很快壞掉，本文設計一款體積小、成本低的不間斷電源控制系統（以下簡稱LCUPCS），配合市面上流行的12V鋰電池組，可以實現通用UPS系統的功能，并有效保護鋰電池。

1 LCUPCS工作原理

LCUPCS系統包括鋰電池充電保護電路、鋰電池放電保護電路及切換電路等，其原理如圖1所示。圖1中，正常情況下，系統由主供電電源為用電器供電，并由主供電電源為鋰電池組充電，系統具備自動檢測電池電量的功能，虧電時自動充電，充滿時自動終止充電，并且在主供電電源有電時，電池組不為用電器供電，這樣可以有效保護鋰電池，延長電池工作壽命；當主供電電源斷電時，電源切換電路會檢測到系統斷電，此時電源切換電路瞬間將供電電源切換到鋰電池組，由于切換時間極短，用電器感覺不到斷電，此時電池組的電能不會反饋到主供電電源電路中。

鋰電池在充電過程中會發熱，如果不加保護而直接充電，電池壽命會快速縮短，而且有起火爆炸的風險[2]。因此LCUPCS在設計中考慮到了這些問題，采用恒源電子公司設計的開關型鋰/鉛酸電池充電管理芯片HY8204作為充電保護芯片[3]，該芯片集高精度電壓和電流調節器、預 充、充電狀態指示和充電截止等功能于一體，價格便宜，性能穩定。

LCUPCS中，采用了大功率MOS管AO4459替代傳統UPS使用的繼電器，避免了觸點故障，提高了系統可靠性和反應速度。

2 LCUPCS優勢

LCUPCS價格便宜，總體成本可以控制在5元左右，符合低成本的要求。

LCUPCS性能穩定，通過將充電過程分為涓流預充（Pre-charge）、恒流（CC/Constant Current）充電、恒壓 （CV/Constant Voltage）充電等過程，可以有效保護鋰電池組，延長鋰電池的壽命和質量；通過充放電功能集成，降低了接線難度；通過放電時機限制，避免了鋰電池頻繁充放電，提高了電池壽命。

系統在昆山信德佳電氣科技有限公司的智能工器具管理系統、智能鑰匙管理系統及密集架系統中運行正常，系統性能到了有效驗證。

3 LCUPCS設計實現

本文恒源電子公司設計的開關型鋰/鉛酸電池充電管理芯片HY8204作為充電保護芯片，采用大功率MOS管AO4459替代傳統UPS使用的繼電器[4]。

3.1 HY8204性能

HY8204采用SOP10封裝設計，引腳功能如圖2所示。

VCC、GND：輸入電源，由于HY8204為降壓型充電管理芯片，因此VCC的電壓一定要大于鋰電池組的供電電壓，一般會選擇14-15V電壓。

GATE：輸出開關驅動引腳，一般接MOS管，用來打開或關斷后級電源供給，這也是開關型充電管理芯片得名的原因所在。

STAT1、STAT2為狀態指示燈，一般STAT1接綠燈，亮起表示充電完畢；STAT2接紅燈，亮起表示充電中，紅綠燈一般不會同時亮起，如果同時亮起則說明故障發生，比如滅0.5Hz脈沖說明故障狀態為超時或者過壓，滅2Hz脈沖說明故障狀態為充電暫停，有可能是電池沒有連接等原因。

NTC：電池溫度檢測輸入端，外接熱敏電阻到地，或取消直接接地。

BAT：電池檢測輸入端及電流檢測輸入負端，該引腳接到充電電池的正極，作為電流檢測端，與SNS（電流檢測輸入正端）引腳之間用一個0.05歐姆的電阻連接，可以獲得2A的充電電流輸出。

ISET：外接電阻設置恒流充電和截止充電電流。

VTRIM：外接電阻，與地或者與BAT腳之間，微調恒壓充電時的恒壓電壓值。

3.2 LCUPCS充電原理

充電電路主要由HY8204外圍電路、輸入電源濾波電路和輸出濾波電路等部分構成，實現了一款可以提供2A充電電流的充電電路，電路具體設計如圖3所示。

電池恒流充電電流：ICHARGE=（KISET*VISET）/（RSNS*RISET）[3]，其中，VISET是ISET腳的輸出電壓，在恒流充電階段為1V，在預充電階段為0.2V。RSNS 為外部電流檢測電阻，KISET為增益系數。在恒流充電電流確定之后，對于鋰電池，預充電電流為40%*ICHARGE，而充電截止電流為10%*ICHARGE。

充電截止電流：在恒壓階段，充電電流在RSNS電阻兩端的壓降減少到VITERM，HY8204內部產生EOC信號，充電截止。同時，當充電電流在RSNS電阻兩端的壓降為VITERM的兩倍時，芯片內部會產生一個TAPE信號，如果在半個小時后充電電流仍然沒有下降到VITERM，充電截至。

充電電壓設定：電池電壓檢測BAT和GND腳之間的壓差。當鋰電池組電壓低于9V時進入預充電模式；當電池組充電至12.6V時，充電截止；充電完成后，當電池組由于電流泄露下降到4.1V以下時，進入再充電周期。

輸出過電壓保護：HY8204 內置過電壓保護功能，當電池電壓過高時，比如電池突然移除時產生的過電壓，該功能可以保護器件本身和其他元器件。當檢測到過電壓時，該功能立即關閉PWM，并指示錯誤。當電池電壓低于再充電閾值電壓時，該錯誤解除。

為了簡化電路功能，NTC引腳沒有接熱敏電阻，而是直接通過電阻接地。

3.3 LCUPCS充放一體切換原理

3.2節中設計的原理圖為充電電路，如果將電池的正極與用電器直接相連，雖然可以實現充放同時進行，但是由于用電器用電情況隨著內部設備的啟動而頻繁變化，導致電池頻繁充放電，從而導致電池壽命迅速下降，為了保護電池，設計了如圖4充放電一體切換電路。

圖4中，采用了可控MOS管AO4459作為切換器件，代替傳統UPS中的繼電器，縮短了切換時間，并提出了觸點提高了系統穩定性。當DC_IN有電時，G1為高電平，使MOS管關斷，此時用電器用DC_IN供電；當DC_IN斷電時，G1為低電平，使MOS管關導通，此時用電器用電池組供電，由于D1二極管具有單向導通的功能，因此電池組的電能不會反饋到DC_IN電路中[5]。

3.4 LCUPCS PCB設計

根據3.1～3.3節所設計的電路原理圖，設計完成的PCB圖紙如圖5所示，其中接線柱分別是輸入電源接線柱、電池接線柱及負載接線柱。

4 系統調試與小結

本文設計的LCUPCS系統，首先在昆山信德佳電氣科技有限公司的智能鑰匙管理系統中進行了測試，第一版PCB發現不太穩定，系統偶爾會出現充電不滿后者充電中與充電滿相互交替的情況，經過對電路原理的分析發現，原因不在原理圖的設計上，而是在PCB中元器件的布局中，因此在第二版PCB元器件布局時作了如下調整。

⑴ 檢測電流的電阻RSNS（即原理圖中的R15）要靠近HY8204的第7腳和第8腳，并在第7腳和第8腳分別接了一個0.1uf的瓷片電容到地。

⑵ 由于該電路為快速通斷型電路，而且電路中引入了電感，電路的電磁輻射較大，因此，充電電流經過的電路要盡量縮短，并且在電流輸入和輸出端，增加電解電容和瓷片電容并聯，輸入與輸出電容的GND端靠越近越好。

調整后的LCUPCS系統，電路板較小，在測試中運行正常，該系統配合綠能里電池組，又在智能工器具管理系統、庫房管理系統及密集架系統等產品中發揮了重要的作用。

參考文獻（References）：

[1] 幸坤濤，劉曉文.簡易UPS不間斷電源設計制作[J].科技創業

月刊，2012.12：189-190

[2] 黃逸飛.淺析機房UPS不間斷的電源設計[J].工業C，

2016.9：00318-00319

[3] 恒源電子.開關型鋰/鉛酸電池充電管理芯片HY8204.PDF[M].

2015.

[4] 盧曙光.淺談UPS不間斷電源[J].漣鋼科技與管理，2015.5：

39-44

[5] Alpha & Omega Semiconductor， Ltd.. P-Channel En-

hancement Mode Field Effect Transistor AO4459.PDF[M].2007.