用于PC機(jī)5V電源的微型UPS設(shè)計(jì)
1 引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/87265.htm隨著電子技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,電子設(shè)備與人們的工作、生活關(guān)系越來(lái)越密切。這些電子設(shè)備,例如PC機(jī)以及各種嵌入式系統(tǒng)等,對(duì)供電質(zhì)量要求也越來(lái)越高。工作中突然停電或電源的不穩(wěn)定將帶來(lái)數(shù)據(jù)的丟失、設(shè)備的損壞、機(jī)器的誤動(dòng)作和整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓等十分重大的危害。因此安全可靠的供電電源是我們不得不認(rèn)真面對(duì)的重要問(wèn)題。解決穩(wěn)定電源問(wèn)題的方法有濾波、線性穩(wěn)壓、UPS等多種,UPS是唯一可完全解決穩(wěn)定電源問(wèn)題的設(shè)備。
UPS(UninterruptiblePowerSupply)是一種向負(fù)載提供不間斷、優(yōu)質(zhì)、高效和可靠的穩(wěn)定電壓的電源。UPS,按其輸出電壓的不同可以分為交流UPS和直流UPS。交流UPS的工作原理是當(dāng)市電電源正常時(shí),一路市電通過(guò)整流器給蓄電池供電,直到蓄電池為浮充狀態(tài)為止,另一路通過(guò)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓再經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)直接向負(fù)載供電。當(dāng)市電中斷時(shí),轉(zhuǎn)換開關(guān)斷開交流電的輸入,AC/DC充電停止工作,蓄電池通過(guò)逆變器向負(fù)載供電。直流UPS的工作原理是當(dāng)市電電源正常時(shí),轉(zhuǎn)換開關(guān)接直流穩(wěn)壓電源的輸出,負(fù)載由直流穩(wěn)壓電源直接供電,同時(shí)用直流穩(wěn)壓電源給蓄電池充電,直到充滿為止;當(dāng)市電中斷時(shí),直流穩(wěn)壓電源輸出中斷,轉(zhuǎn)換開關(guān)斷開與直流穩(wěn)壓源的連接,由蓄電池經(jīng)過(guò)DC/DC向負(fù)載供電。
對(duì)于PC機(jī)和嵌入式系統(tǒng)等直流用電設(shè)備來(lái)說(shuō),采用直流UPS比交流UPS具有更突出的優(yōu)點(diǎn),諸如電路簡(jiǎn)單,所用元器件少、成本低廉、功耗小、體積重量小、可靠性高、制造容易、維護(hù)方便等。
本文設(shè)計(jì)的直流UPS是基于MAXIM公司的MAXIM668控制芯片的Boost電路。該方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,獨(dú)立切換,具有較高的輸出精度。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性和這種方案的可行性。
2 UPS系統(tǒng)工作原理
圖1所示是本文中UPS系統(tǒng)框圖。UPS系統(tǒng)由市電檢測(cè)單元、UPS及切換單元組成。工作原理是,檢測(cè)單元實(shí)時(shí)檢測(cè)市電是否中斷。當(dāng)市電正常時(shí),封鎖Boost電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào),UPS不工作,切換單元切換到開關(guān)電源,PC機(jī)由開關(guān)電源直接供電,同時(shí)由開關(guān)電源輸出給蓄電池充電至浮充狀態(tài);當(dāng)市電中斷時(shí),開啟Boost電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào),由切換單元切換到UPS,PC機(jī)由UPS供電。這樣就能保證在電壓正?;蛑袛鄷r(shí)均提供穩(wěn)定直流電壓給PC機(jī)。
UPS系統(tǒng)檢測(cè)單元如圖2所示。檢測(cè)單元由整流橋、RC電路以及光耦隔離電路組成,其輸出out根據(jù)所檢測(cè)的市電是否發(fā)生中斷而產(chǎn)生邏輯電平。當(dāng)市電正常時(shí),市電通過(guò)整流橋整流,經(jīng)RC作整流輸出濾波得到直流電,經(jīng)過(guò)R2使得光耦導(dǎo)通,使得檢測(cè)單元輸出out為低電平,從而封鎖UPS控制信號(hào),UPS不工作;當(dāng)市電中斷時(shí),光耦不導(dǎo)通,檢測(cè)單元輸出out高電平,打開UPS控制信號(hào),啟動(dòng)UPS。值得注意的是,這里C1取值較小,以保證市電檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。
圖1虛線框中為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的UPS,由控制驅(qū)動(dòng)電路、Boost電路、和蓄電池組成。圖3所示為其電路圖。其中控制驅(qū)動(dòng)電路采用MAXIM公司的MAXIM668芯片。這里用蓄電池給芯片供電。MAXIM668是一種固定頻率的工作于電流模式的PWM控制器。正常工作時(shí),通過(guò)電壓閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)和電流峰值調(diào)節(jié)來(lái)控制其輸出的PWM信號(hào),以達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目的。SYNC/SHDN為片選信號(hào),高電平有效,由檢測(cè)單元的輸出out控制。REF端內(nèi)部產(chǎn)生1.25V參考電壓。FREQ端接電阻Rosc來(lái)控制芯片的工作頻率。FB端為反饋端,通過(guò)反饋電阻R2、R3分壓的結(jié)果與芯片REF端的1.25V電壓進(jìn)行比較來(lái)控制MAXIM668的工作,構(gòu)成電壓閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)。CS+端外接檢流電阻,通過(guò)比較檢流電阻上的電流值與芯片內(nèi)部由電壓調(diào)節(jié)器決定的電流峰值,來(lái)控制芯片EXT輸出端的PWM信號(hào)的脈寬,構(gòu)成電流峰值調(diào)節(jié)。UPS的主電路為一個(gè)Boost電路。通過(guò)控制EXT輸出端的PWM信號(hào)的脈寬,保證Vout為穩(wěn)定的5V。蓄電池在此不僅給Boost電路供電同時(shí)要給控制芯片MAXIM668供電。
切換單元原理如圖4虛線框中所示。其基本原理為當(dāng)市電處于正常或中斷狀態(tài)時(shí)分別使開關(guān)電源或UPS向負(fù)載供電。從而保證負(fù)載供電穩(wěn)定。圖中的繼電器都為常開狀態(tài)。
中用檢測(cè)單元輸出out和UPS輸出Vout共同作用來(lái)控制切換單元是否動(dòng)作??刂七壿嬛邢葘out做兩級(jí)施密特反相器,使其不工作時(shí)輸出0,正常工作時(shí)輸出1。再將變換后的Vout和out做與邏輯。使得當(dāng)out和Vout輸出同時(shí)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)繼電器M1關(guān)斷,繼電器M2閉合;當(dāng)out和Vout輸出任一個(gè)變?yōu)榈碗娖綍r(shí),M1閉合,M2關(guān)斷。
由于繼電器的機(jī)械特性會(huì)帶來(lái)切換開關(guān)動(dòng)作時(shí)關(guān)斷比閉合快的問(wèn)題,導(dǎo)致在切換開關(guān)對(duì)開關(guān)電源和UPS進(jìn)行相互切換時(shí),會(huì)有一段負(fù)載供電的缺口。文中設(shè)計(jì)了一個(gè)控制延時(shí)關(guān)斷、立即閉合的環(huán)節(jié)解決這個(gè)問(wèn)題。
當(dāng)市電由中斷到正常時(shí),控制邏輯輸出為0。此時(shí)對(duì)M1而言,控制信號(hào)為1,因此為立即閉合狀態(tài);對(duì)M2而言,控制信號(hào)為0,因此為延時(shí)關(guān)斷。反之亦然。
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