單相在線式不間斷電源的原理與設計

董振遠

（西南大學 重慶市 400715）

如今，在諸多研究領域都需要進行安全的低電壓電源供電，所以設計出一款高效、高質量的不間斷低電壓供電電源，顯得尤為重要。本文完成了單相在線式不間斷電源的原理（見圖1）與設計方案。該系統使用TI 的MSP‐EXP432P401R 開發板作為整個系統的主控芯片通過檢測電壓與電流值來實現控制整個電路，并做到電路保護機制。

圖1：在線式不間斷電源原理框圖

1 系統設計方案

本設計以高性能低消耗的MSP432 來實現控制電路、電壓電流采樣及測量、保護電路等功能。不間斷電源系統設計是由降壓模塊（變壓器）、升壓穩壓模塊、SPWM 逆變模塊、整流濾波模塊、供電模塊等組成（見圖2）。

圖2：系統結構框圖

電源 220V 通過由自耦變壓器和隔離變壓器組成的變壓器模塊輸入整流濾波模塊,從整流濾波模塊所輸出的電信號通過由兩個SR5100 組成的開關，經過升壓穩壓模塊，從而驅動SPWM 逆變模塊對輸入的電信號進行穩定波形、消除諧波，最后接入負載，實現要求。其中，整流濾波模塊是由4 個二極管和電容組成全橋電路；SPWM 逆變模塊，是由SPWM 輸出和H 橋電路構成，其目的保證輸出信號的穩定和可測。當市電出現異常（即斷開時），通過SR5100 的兩個二極管組成的開關瞬時轉換，實現直流（儲能元件）供電，進而完成后續的功能實現。MSP432 通過AD 采樣收集的數據來讀取電流值與電壓值，MSP432 通過監測電壓值、電流值實現保護機制，保證電路安全。

2 本系統設計預期達到目標

（1）交流供電，U1=36V，輸出交流電流IO=1A 時，輸出交流電壓UO=30V±0.2V 頻率 f=50Hz±0.2Hz。

（2）交流供電，U1=36V，IO在0.1A～1.0A 范圍變化，負載調整率SI ≤0.5%。

（3）交流供電，IO=1A，U1在29V～43V 范圍內變化，電壓調整率SU ≤0.5%。

（4）在要求(1)條件下，不間斷電源輸出電壓為正弦波，失真度 THD ≤2%。

（5）斷開交流電源，即時切換至直流（儲能器件側）供電，Ud=24V，輸出交流電流IO=1A 時，輸出交流電壓 UO=30V±0.2V，頻率 f=50Hz±0.2Hz。

（6）直流供電，Ud=24V，在UO=30V，IO=1A 的條件下，使在線式不間斷電源效率η 盡可能高。

3 系統硬件電路設計

3.1 主控芯片選擇

主控芯片選擇TI 的MSP‐EXP432P401R 開發板，該控制器是一款基于ARM Cortex‐M4F 內核的32 位的微控制器，所需電壓1.62～3.7V，工作溫度為‐40℃～85℃。MCU 具有大量集成功能，其中MSP432P4 系列具有高性能ADC 和低功耗。此處理器在工作模式下功耗僅為 95μA/MHz，而待機功耗僅為850nA，其中包括了RTC 的功耗。此處理器在實現高性能的同時保持了低功耗的優勢。

3.2 整流濾波模塊設計

如圖3所示，整流濾波模塊是由5個2000μF電容、1個1μF電容、2 個1mΩ 電阻和4 個穩壓二極管構成。4 個SR5100 穩壓二極管構成的全橋電路實現整流作用，每一只二極管作為電橋的一個臂，首尾相連構成一個環，實現超高的抗平衡能力。全橋電路利用具有單向導電性能的二極管，把方向和大小均產生變化的交流電轉換為方向不變但大小仍有脈動的直流電。濾波電路由六個電容器組成，儲能元件電容器兩端的電壓不能因電容器的性質而發生變異，電容器與整流器電路的負載相連，整流器電路輸出中的大多數交流成分被過濾掉，從而獲得平滑的直流電。

圖3：整流濾波模塊電路圖

3.3 升壓穩壓模塊設計

升壓穩壓模塊（見圖4）主采用改裝后的XL6019DC‐DC 可調升壓電源模塊，該部分電路主要由XL6019 升壓芯片、多線圈可調電位器、返接保護、電感等主要器件構成，此模塊具有良好的升壓和穩壓能力，同時內置反接保護，避免接錯裝置燒毀電路。當接入模塊可接受電壓后，紅色指示燈會常亮，表示可以正常工作，然后通過旋轉電位器旋鈕，可以實現升壓和降壓，十分靈活。該模塊進過改裝后，可以達到5～40V 的輸入電壓，以及3～55V 的輸出電壓。

圖4：升壓穩壓模塊電路圖

3.4 SPWM逆變模塊設計

如圖5所示，SPWM逆變模塊由SPWM逆變器和H橋電路構成，由4 個MOS 管，和4 個二極管、安規電容、共模電感等元器件構成，逆變器是將DC功率轉換成具有恒定頻率和電壓或頻率調制和電壓調節的交流功率的轉換器。H 橋是一個典型的直流電機控制電路,通過內部控制三極管Q1、Q2、Q3、Q4 基極的高低電平，使通路的電流研究方向發生改變，從而可以實現交流電的功能。

圖5：SPWM 逆變模塊電路圖

3.5 供電模塊設計

如圖6所示，供電模塊采用LM2596S‐ADJDC‐DC 可調降壓模塊來設計電路。該模塊電路使用貼片鋁電解電容、固態電容、高Q值大功率電感等器件,通過LED 燈的現實來判斷是否正常工作。電路輸入可接3～40V 的直流電壓，輸出可以達到1.5～30V 的可調連續電壓，最大輸出電流為3A。調節電位器旋鈕即可調整所需要的輸出電壓。

圖6：供電模塊電路設計圖

4 系統軟件設計

4.1 程序控制設計

MSP432 實現主程序的程序設計，通過AD 采樣得到的電流和電壓值，當電流異常、電壓正常時，出現S1 結果：綠燈閃爍，顯示頻率、電流、電壓；當電流和電壓正常時，出現S0 結果：藍色燈運行，顯示頻率，電流，電壓；當電壓異常、電流正常時，出現S2 結果：紅燈閃爍，顯示各個值。當電壓和電流同時異常時，出現s3 結果：黃燈閃爍，顯示各個值。主程序控制程序設計圖如圖7所示。

圖7：主程序控制程序設計圖

4.2 保護電路設計

4.2.1 過壓保護

當輸出電壓超過我們預設的閾值時，它就會超出我們所涉定的安全值范圍，根據本題，我們設置的范圍為3～55V，當輸出的電壓不在這一范圍內時，或者由于電源內部穩壓環路出現故障時，過壓保護電路（見圖8）會進行保護，來防止損壞后級用電設備。當輸出電壓超過我們預設的閾值時，MSP432 會直接控制模塊的使能端，使其使能端不能正常工作，從而達到保護電路的作用。

圖8：過壓保護電路圖

4.2.2 過流保護

過流保護采用霍爾元件（見圖9）測量電流的方式來檢測電路，霍爾元件即由穩壓源、霍爾電勢發生器、差分放大器、施密特觸發器以及輸出級組成。霍爾元件通過霍爾電壓、霍爾靈敏度、以及傳感器驅動電路、磁感應強度來感知電路是否出現問題，若得到的霍爾電流超過我們預定的閾值，同樣，MSP432 會直接控制模塊的使能端，使其使能端不能正常工作，從而達到保護電路的作用。

圖9：霍爾元件構成圖

5 電路測試成果

（1）在交流供電的情況下，在U1=36V，輸出交流電流IO=1A 時，測得輸出交流電壓UO=30V，頻率 f=50Hz，符合要求。

（2）在交流供電的情況下，在U1=36V，輸出交流電流IO在0.1A～1.0A 范圍變化時，測得輸出交流電壓UO(0.1A)=30V，UO(1.0A)=29.9V，負載調整率為

（3）在交流供電的情況下，輸出交流電流IO=1A 時，輸入電壓U1在29V～43V 范圍內變化，電壓調整率

（4）在要求（1）條件下，不間斷電源輸出電壓為正弦波，失真度用失真測試儀直接測得為。THD=0.52%≤2%，符合要求。

（5）斷開交流電源，使本系統即時切換至直流（儲能器件側）供電，Ud=24V，輸出交流電流IO=1A 時，輸出交流電壓UO=29.9V，頻率f=50Hz，符合要求。

（6）直流供電，Ud=24V，在UO=30V，IO=1A 的條件下，在線式不間斷電源效率

（7）該電路除完成上述數據測試以外，還具有過流保護、過壓保護功能，自動檢測交流電壓、電流值，同時還可以將測量結果在屏幕中顯示的功能。

6 結語

隨著時代的發展，不間斷供電電源被應用與諸多領域，基于此，本文設計出簡單的單相在線式不間斷電源，能夠進行基本可以實現預設實驗要求，設計出效率高、正弦失真度小、電壓和負載情況調整率低的不間斷電源，以及實現過流保護、過壓保護、屏幕顯示電流、電壓值等功能。