多功能直流UPS的設(shè)計(jì)

作者：時(shí)間：2011-02-16 來源：網(wǎng)絡(luò)

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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(gè)方面：

（1）放電深度和幅度大容量放電和大電流放電都會(huì)縮短蓄電池的使用壽命，所以在蓄電池放電時(shí)，一定要有放電深度限制（設(shè)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(huì)產(chǎn)生大量的氣體，以致超過電池的吸收能力，導(dǎo)致電池內(nèi)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(huì)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(shí)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(huán)境溫度溫度過高和過低都會(huì)降低電池的使用壽命。

4直流 UPS的設(shè)計(jì)

DCUPS的實(shí)現(xiàn)方案由于設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)風(fēng)格的不同而多種多樣。從可靠性、性價(jià)比等技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(shí)間，延長壽命，交流輸入端采用多路并聯(lián)輸入。這樣只要其中一路有電，系統(tǒng)就由電網(wǎng)供電，而不必起動(dòng)備用電池。

分別將各路交流輸入整流變換為直流脈動(dòng)電壓，再進(jìn)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(yōu)點(diǎn)是：電路簡單，可靠性高，無觸點(diǎn)切換，對(duì)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(duì)輸入電壓數(shù)值及穩(wěn)定性的要求，先將整流濾波后的直流高壓進(jìn)行一次變換是必要的，而且這對(duì)提高后級(jí)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(shí)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(wěn)定的要求，往往要在輸出級(jí)加上二次直流變換。當(dāng)然，對(duì)于遠(yuǎn)程負(fù)載或多用戶負(fù)載，先將單路輸出送至用戶端，再進(jìn)行二次直流變換，不失為一種好方案，這樣可以減小串?dāng)_，提高供電質(zhì)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(yè)品已經(jīng)較為普及，所以只需選訂相關(guān)的品牌及參數(shù)即可。目前質(zhì)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(jié)合第2節(jié)、第3節(jié)中對(duì)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(dòng)充電、二極管導(dǎo)引的充放電自動(dòng)切換和放電下限電壓限制（自動(dòng)切斷負(fù)載通路）。

圖4DC－UPS原理電路

二極管導(dǎo)引的充放電自動(dòng)切換，雖然損失一定的電壓（二極管導(dǎo)通壓降，小于1.0V），但其優(yōu)點(diǎn)是無觸點(diǎn)，響應(yīng)速度快，可靠性高，且兼有反向極性保護(hù)功能。

如前所述，設(shè)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(jì)，即以放電時(shí)的端電壓來標(biāo)明電池的剩余容量。所以設(shè)置放電下限電壓來限制放電的深度。

5設(shè)計(jì)實(shí)例

我們以某型通訊機(jī)電源為實(shí)例，來設(shè)計(jì)一臺(tái)實(shí)用的DCUPS。

5.1技術(shù)指標(biāo)

該機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)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(xù)供電時(shí)間>1h；

（4）工作環(huán)境：戶外（工業(yè)品級(jí)）。

5.2原理電路

按圖3所示方案設(shè)計(jì)的原理電路如圖4所示。其主要設(shè)計(jì)依據(jù)如下:

（1）由于輸出級(jí)要求四路同時(shí)輸出，且電壓數(shù)值各異，因此末級(jí)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?yàn)椋?4V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(jí)DC/DC變換器選用VICOR公司的(VIJ64CW)，將其輸出電壓調(diào)至32V；

（2）由于POmax=75W，蓄電池端電壓為24V，則IOmax=3.125A。要求持續(xù)工作1h，即要求電池的有效容量C′>3.125Ah。根據(jù)表3數(shù)據(jù)，對(duì)于1h放電率，其有效容量C′=0.6C，所以電池標(biāo)稱容量C≥3.125/0.6=5.2Ah?？紤]溫度影響、后級(jí)效率、設(shè)計(jì)裕量及產(chǎn)品規(guī)格等因素，可選用Deka牌12V/7Ah電池兩塊（串聯(lián)）；

（3）充電控制電路采用了充放電控制專用芯片CC2024和三端穩(wěn)壓集成塊，使得整個(gè)電路即簡單又可靠。

恒流電路由LM217構(gòu)成（IC=0.7A）。由于三端集成穩(wěn)壓器參數(shù)優(yōu)良，過載能力強(qiáng)，而且具有全功能自保護(hù)（過流、過壓、過熱），由其構(gòu)成恒流源電路，性能可靠，性價(jià)比高。

CC2024是為24V電池充放電控制設(shè)計(jì)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(jì)算依據(jù)參見表1）；

（2）放電下限電壓限制UOmin=21.5V（計(jì)算依據(jù)參見表2）；

（3）蓄電池反極性報(bào)警當(dāng)電池的極性接反時(shí)，

外接蜂鳴器報(bào)警；

（4）充電上限電壓溫度補(bǔ)償。

6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性及電路的可行性，我們對(duì)按圖4組裝的40套DCUPS進(jìn)行了4套抽樣實(shí)驗(yàn)。其在線工作性能如表4所示。

表4數(shù)據(jù)表明，該機(jī)電源調(diào)整率極低（因?yàn)椴捎脙杉?jí)直流變換），負(fù)載調(diào)整率及溫度漂移均較小，全溫全載范圍起動(dòng)性能良好，充電控制及溫度補(bǔ)償作用明顯，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

表4某型DCUPS在線工作性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

環(huán)境溫度(℃)	負(fù)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(dòng)性能
			市電進(jìn)線電壓波動(dòng)±20％（V）									充電電流（mA）	上限電壓（V）
			176V	220V	264V	176V	220V	264V	176V	220V	264V	充電電流（mA）	上限電壓（V）
－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
	0A	紋波峰值	0.10	0.10	0.10	0.10	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	689	27.56	OK
	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
	Iomax/2	紋波峰值	0.10	0.10	0.10	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	689	27.56	OK
	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
	Iomax	紋波峰值	0.10	0.10	0.10	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	689	27.56	OK
＋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
	0A	紋波峰值	0.05	0.05	0.05	0.05	0.05	0.05	0.10	0.10	0.10	698	27.40	OK
	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
	Iomax/2	紋波峰值	0.05	0.05	0.05	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10	698	27.40	OK
	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
	Iomax	紋波峰值	0.05	0.05	0.10	0.10	0.10	0.15	0.15	0.15	0.20	698	27.40	OK
＋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
	0A	紋波峰值	0.05	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10	704	27.32	OK
	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
	Iomax/2	紋波峰值	0.10	0.10	0.10	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	0.20	704	27.32	OK
	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
	Iomax	紋波峰值	0.10	0.10	0.15	0.20	0.20	0.25	0.20	0.20	0.25	704	27.32	OK
＋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
	0A	紋波峰值	0.10	0.10	0.10	0.15	0.15	0.15	0.20	0.20	0.20	710	27.14	OK
	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
	Iomax/2	紋波峰值	0.15	0.15	0.15	0.20	0.20	0.20	0.25	0.25	0.30	710	27.14	OK
	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
	Iomax	紋波峰值	0.20	0.20	0.25	0.25	0.25	0.30	0.30	0.30	0.35	710	27.14	OK