一種基于直流電源管理器的UPS 電路

周雪軍

（河南中煙有限責任公司黃金葉生產制造中心，河南鄭州 450052）

0 引言

當前的UPS 系統，是應用反復充電器電池作為直流電源系統的后備電源，這種UPS 起到的作用是當出現問題、配電網斷電以后，UPS 能起到穩定供電電能的作用，此時，UPS 中蓄存的電能能夠替代配電網提供的直流電能。對基于直流電源管理器的UPS 電路進行設計。

1 設計背景

UPS 是不斷電電源系統，就是當停電時能夠接替市電持續供應電力的設備，它的動力來自電池組，由于電子元器件反應速度快，停電瞬間在4～8 ms 內或無中段時間下繼續供應電力。UPS 作為計算機重要外設，在保護計算機數據、保證電網電壓和頻率的穩定，改進電網質量，防止瞬時停電和事故停電對用戶造成的危害等是非常重要的。由于UPS 直流供電器不能大電流直接充放電，也不能應用感性負載，使之在很多領域的應用受到限制。然而當前，很多領域需要應用UPS 直流供電系統，如目前基本上所有的工業控制核心是工業控制計算機與PLC 等，為確保其正常工作，均采用UPS 供電。

2 設計思路

目前UPS 系統應用原理為用蓄電池完成電能儲存。如果配電網中，能正常提供電能，那么蓄電池會通過整流裝置和放電電路來接收電流，確保直流系統供電安全可靠性；如果配電網不能夠正常提供電能，那么蓄電池會通過放電回路向配電網中的電器設施提供直流電能。為解決上述問題，設計一種基于直流電源管理器的UPS 電路。它由直流電流管理器、AC 220 V/DC 24 V 開關電源、鉛蓄電池組、工業控制計算機、繼電器等組成。該電路不再各自單獨配備蓄電池組，而是應用一組通用蓄電池組作為蓄電池，該蓄電池組為交流停電時的唯一后備電源。該電路由AC 220 V/DC 24 V 開關電源開啟及關閉直流電源管理器的UPS 電路，它是一種以直流電源為核心，能夠與任何一種或一種以上電源構成的組合體。應用該種直流電源管理器的UPS 電路的設計，它不僅在交流市電的情況下提供穩定無干擾的DC 24 V，而且在斷電時提供15 min（可調）的直流供電，確保工業計算機正常關機。同時能對輸入電源與輸出電源品質及蓄電池充放電能力進行診斷與故障輸出。

3 裝置結構

3.1 整體設計

此電路中采用西門子的6EP1334—2BA20 直流電源管理器，它的DC 24 V 電源輸入端與AC 220 V/DC 24 V 開關電源的輸出端相連，DC 24 V 電源輸出端與工業計算機相連（現用型號為西門子的SIMATIC IPC627C），電池模塊端與鉛蓄電池（現用型號為西門子6EP1935 6ND11）相連，同時當輸入、輸出電壓低或波動時或蓄電池充放電能力差時控制相應繼電器動作，把信號反饋給其他控制電路進行提示、警告或切斷電源。如果DC 24 V 電源發生故障或下降到小于設定的切入閥值，而且蓄電池在連接供電模式下并保持在充滿狀態，此時便可繼續對工業計算機進行供電。整體設計電路如圖1 所示。

3.2 硬件設計

3.2.1 供電電路設計

AC 220 V/DC 24 V 開關電源的作用是為直流電流管理器提供穩定的電壓，同時為蓄電池提供充電電源。此電路中開關電源的型號為weidmuller PRO EC03，功率240 W，電流10 A。

3.2.2 單體電池電壓采集電路設計

此次應用電池模塊端與鉛蓄電池（現用型號為西門子6EP1935—6ND11）相連作為采集電路，雖然從監測的角度而言，該采集電路的蓄電池相連的數量受到一定的制約，但是該電路中可以應用多級鏈接的方法，讓蓄電池組數量自由拓展，從而能突破電池數量的制約。采集電路的另一設計特點為每路采樣通道中都具有保護二極管，它能防止外部施加的超過電源的電壓引起的內部器件結構受損，這種采集電路設計可以適應各種運行環境。

圖1 整體設計電路

3.2.3 均衡電路設計

雖然電池制造廠家會生產具有高度一致性的單體電池，但是電池還是會出現個體差異。該次基于直流電源管理器的UPS電路需要通過均衡電路的方式監測電池組的狀態，了解電池組是否具有穩定性和安全性。該次應用了LTC6803 的耗散型均衡電路，設計方法為在電路的均衡控制端口S（n）中內置均衡MOSFETs，電路搭建時，將其連接至每節單體電池均衡回路中，用以控制均衡回路的通斷。應用這種方法，可將電池組視為一個整體，監測蓄電池運行情況。

3.2.4 單體電池溫度檢測設計

在使用蓄電池時，如果工作溫度不穩定，則會影響蓄電池使用質量。為了解蓄電池使用情況，需要設計單體電池溫度檢測電路。該次應用具有抗干擾能力強、采集精度高的數字式溫度傳感器自動完成電池診斷、輸入診斷、輸出診斷，為計算機控制提供精確的數字依據，可以有效監測集體電池溫度的狀況。

3.2.5 通信控制電路及JTAG 接口

該次應用RS485 通信控制電路和一路JTAG 接口來接收數據信息。其中，RS485 通信控制電路負責傳輸信息，JTAG 接口用來外接硬件仿真系統和完成代碼燒錄。應用這樣的設計方法，既能滿足通信的需求，又能讓電路系統具有拓展性。

3.3 軟件設計

3.3.1 軟件開發環境

該次應用IAR Embedded workbench for ARM 集成開發環境，在這種開發環境下，應用C 語言編程，可將程序編輯、編譯以后，應用JTAG 接口下載到STM32F105 微控制器中，然后應用工業控制計算機自動控制直流電源管理器的UPS 電路運作。

3.3.2 工藝運行流程

（1）直流電源管理器的UPS 電路的運作程序。開始上電——初始化——總電流采集、接收BMU 數據信息——數據處理——SOC 估算——顯示SOC 估算結果——計算機自動判是否需要保護及報警，如是進入啟動保護，如不是進入數據存儲——啟動保護——數據存儲——結束。

（2）蓄電池監測流程。系統上電——初始化——應用LTC6803通信——進入LTC6803 模式——通信電池診斷、輸入診斷、輸出診斷監測數據信息——數據處理——判斷是否啟動均衡，如是進入啟動均衡保護，如不是進入與CMU 通信——啟動均衡保護——與CMU 通信——結束。

3.3.3 穩定性軟件設計

（1）應用復合數字濾波處理器，可以丟棄數據的最大值和最小值，再判斷數據采樣的結果，可以讓直流電源管理器的UPS電路適應復雜的環境，避免在復雜的環境中受到光電干擾。

（2）應用“看門狗”技術，可以應用軟件來設定循環時間，避免系統進入死循環，這樣可以提高直流電源管理器的UPS 電路使用的穩定性。

（3）應用RAM 數據冗余技術，它將數據備份于若干地方，如果軟件在運行時，受到種種因素的影響，出現了數據損壞的情況，那么可提取備份數據去彌補缺失的數據。這樣可以再次提高直流電源管理器的UPS 電路使用的穩定性。

（4）輸出端口刷新，當I/O 口輸出狀態將要改變時，先將輸出狀態值備份到RAM 指定的單元中，在之后的程序運行中根據數據備份至RAM 中的狀態內容去周期性刷新I/O 端口。這樣可以周期性的校正數據端口的數值，從而提高直流電源管理器的UPS 電路使用的穩定性。

4 測試分析

目前選用的蓄電池型號可保持15 min 的供電。電池的切入閥值、充電電流和緩沖時間可由直流電源管理模塊上的DIP 開關設置。如果輸入直流電壓降至設定的輸入切入閥值電壓，則電源管理模塊切換到浮空運行，負載由蓄電池供電，切入閥值的設定范圍為22～25.5 V，增量為0.5 V，精度為正負1.8%。充電電流的設置請參考蓄電池的參數，蓄電池以恒電流充電，直到達到設定的切入閥值電壓，充電電流的設定范圍為0.35 A±0.1 A 或0.7 A±0.1 A。緩沖時間設置范圍為5～635 s，增量為10 s，當緩沖時間到或蓄電池過度放電閥值到達后，電源管理模塊浮空運行，切斷與蓄電池的連接即對工業計算機不再供電。

5 結論

此次設計的直流電源管理器的UPS 電路采用了一體化的設計思路，應用AC 220 V/DC 24 V 開關電源控制直流電源管理器的UPS 電路的開啟與關閉；然后應用單體電池電壓采集電路設計，將一組蓄電池組作為一個整體；應用工業控制計算機采集直流電源管理器的UPS 電路運行的情況，實現電池診斷、輸入診斷、輸出診斷監測數據信息、單體電池溫度測量；采用RS485 通信控制電路和一路JTAG 接口設計與IAR Embedded workbench for ARM 集成開發環境，讓系統流程圖可以實現。經過運行測試可知，這一設計方案可以讓直流電源管理器的UPS電路高效、穩定的運行，并能應用工業控制計算機智能化、高效地管理電路。