嵌入式的在线式数字不间断电源设计研究

丁犇

摘 要：虽说从现如今形式来看，我国也对DSP和UPS相关领域中进行研究，并在原有的基础上取得了一定的成绩。但这些改良方式无非是让DPS承担了大量任务，在软件上更是需要多个中断程序进行全面协调，很大程度上影响了计算机的运行速度。对此，该文结合实际情况，首先阐述了整个系统方案和相关技术指标，对硬件电路相关设计方案进行了全面介绍，并在原有的基础之上，对系统控制软件进行了相关设计，旨在对嵌入式在线式数字不间断电源设计进行了全面研究。

关键词：UPS FPGA DSP 大功率 数字化

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（a）-0026-02

在现如今，市面上的小型UPS很难做到大功率运行，这主要是由于两方面的原因所导致，（1）当前我国蓄电池技术非常有限。（2）虽说我国当前也是用单片机当做控制器，但因为受运算能力的限制，不能实现高质量供电，而且非常难以实现功能化与智能化。所以说，将DPS当做控制中心的时候，应该将其相关数据处理，控制调节方面的相关优势进行全面突显，最终将其优势加以充分发挥。

1 整个系统方案和相关技术指标

1.1 UPS结构设计

UPS的输出有两种方式，当其出现异常或者超载的时候，在市电通过EMI的滤波以后，会直接穿过旁路进行负载供电，在正常情况下，市电经过EMI的滤波之后，会整个穿过整流-逆变的通路向负载进行供电，经过这样一个过程，市电就会从交流转变为直流再到交流电的过程，如果市电发生了异常，则会从蓄电池利用升电压的方式，在逆变器中输出电流，实现对负载进行供电，因为在其中运用了数字控制技术的关系，令UPS的逆变器输出电压频率，幅值与波形达到了非常高的精准度。进而在根本上保证了UPS在进行正常工作的时候，能够将质量过关的电能输出[1]。

1.2 系统硬件的整体规划

系统硬件主要由控制电路与功率电路组成，其中控制电路具体包含了信号采样设备，AD转换设备，数字控制设备，外设驱动设备，IGBT驱动电路等等，可以把控制电路做成一个电路板，剑气看做控制板。

功率电路依照供电方式分成两个部分，在电网供电正常的情况下，在市电净功率因数校正电路-逆变电路的形式进行负载供电，当市电电网出现异常的时候，其年能由蓄电池发出，因此整个电流和功率因数校正电路与逆变电路作为一块电路板，将其看做成功率主板。

电池除了能够保证市电正常运行之外[2]，还会诶相关控制系统提供电源。之所以这样，主要原因是在市电异常的时候，要在根本上保证相关控制系统的正常工作，因此利用电池为相关控制系统提供电能，是一种极为可靠的方案，所以说，在充电电路，辅助电源电池升压的电源电路在一个电路板上，能够看做成为电池的负压，辅助电源板和充电电源板。

2 硬件电路相关设计方案

2.1 有源功率因数矫正电路的基本结构

有源功率因数校正电路的相关基本机构详见图3，依照DC/DC电路的差异情况，能够将现有的有源功率的校正电路分成降压，升压，和反激型三种[3]。

2.2 功率元件的相关参数设计

功率元件的选取是整个APFC电路中的关键所在，要将现有参数中的L＼C进行全面测定，因为最大功率输出的关系，因此就要求所选择的元件功率能够将电流与电压，值得一提的是，元件的参数对输出电波会造成一定的影响，人体、同时也失败性能情况优良与否的关键因素。

生涯电感在根本上决定了输入的波纹电流，就此根据限制直流脉动是最小原则对升压电感进行设计，加设输出功率为最大值，输入电压最小是，输入电流最大值， 输入电波纹也是最大的，为了在根本上将这种情况加以全面保证，输入的电流纹波要满足相关要求。

2.3 驱动电路的相关设计

驱动电路不但要将功率因数矫正的相关功能加以实现[4]，还要具备一定的保护措施，在根本上保证用户以及开关管的安全性。对驱动电路进行简化，相关设计采用了APFC集成芯片。国外一家公司声场的NCP1654，能够在一定的开关频率下正常工作，利用CCM模式，更加容易实现EMI的相关标准，能够在根本上将射频噪声进行有效控制，杜绝其他设施引起的污染现象出现。

NCP1654经过第六脚FB对输出电压进行样本采集，和内部基准电压相比奇偶，会得出第三脚BO收集到的输出电压和相关差值，这些会一并送到内部乘法器中。这样一个步骤就构成了CCM相关模式的外部调节，乘法器输出是内部电流中比较器的信号，和第二脚CS中得到的电流与电压相关情况进行比较，能够在根本上实现CCM模式中的内环调节，在此之后，在PWM中昌盛的电路会在第八脚DRV输出成为驱动信号，令被控制的电流和电压成为同相位。

2.4 控制器电路

控制器利用FPGA+DSP的结构形式将DSP看做成为中心控制板设备[5]，使用FPGA的外展成为通用的接口。控制器中电路组成部分主要是由RAM，FPGA和DSP组成，FPGA+DSP相关结构中控制器能够良好的将DSP运算进行结合，在根本上实现了控制算法能力与FPGA的接口能将在同一时间内把多个外设能力进行驱动。利用科学化分配两者所承担任务，能够在根本上实现控制器高效稳定的相关性能。

2.5 旁路的转换电路

当UPS在正常工作状态的时候，会从逆变的电路转向用电负荷负载进行供电，但值得注意的是，在UPS出现了过流，过载挥着系统异常的额时候，UPS就会从静态开关自动的切换到输出，市电电网会直接转化为用电负载供电。

UPS中最为重要的部件就要数静态开关了[6]。静态开关除了能够起到一定的保护作用之外，还是其供电方式重要的转换器件。在根本上将用电负载与UPS的安全性进行保证，从另外一个方面来看，静态开关是逆变电路输出和市电旁路输出重要的转换器，如果逆变输出和旁路输出额切换时间是0的时候奇偶，UPS就会达到不断供电的效果，因此，旁路开关的相关转换就在于怎样实现不间断切换输出通路，与此同时还要讲用户堵在与UPS通路切换安全进行全面保证。

3 系统控制软件的相关设计

3.1 主程序

对主程序进行全面设计的根本目的在于，保证各个系统之间功能的正常运行，为了避免在运行的时候发生冲突，要求对系统运行时出现的相关状况进行及时的反应，所以说，在对主程序进行设计的时候，不但要将相关系统流程要求进行全面考虑，同时还要将每个子程序的实现方式进行科学的度量。

主程序依照运行的相关流程，要求将每个子功能程序进行合理组织与分配，在主程序中，主要执行的子操作有：参数初始化，外设初始化，系统自我检测，监测信号的采集，运行状态的判断等等。

3.2 逆变电路的驱动软件设计

该实验利用EVB和DSP相关事件管理模块对其产生出来的SPWM进行详细说明，因为逆变电路的驱动需要使用4路SPWM信号。电池在放电的时候需要2电路SPWM信号，因此，利用EVB的相关事件模块中的比较单元产生的SPWM波形进行说明。

将GP定时器3设置成为连续的减/增计数模式，并利用周期寄存器Ian个装载波周期进行安装，这样做的目的是为了在根本上实现SPWM调制的高频率再逼麻将定时器4设置成为连续递增计数模式。利用其自身溢出的中段子程序的参考信号，反馈信号，逆变输出算法和信号的脉冲宽度。通过定时设备中的相关中断程序，能够在根本上将高频载控制算法进行全面适应，令调节SPWM信号和载波平率成为整数倍数。利用定时器的计数周期，在根本上将算法调节速度进行全面控制。

3.3 逆变输出的控制方式

为了在根本上实现逆变电路输出的交流电压相位和市电交流电压的相关相位总是保持一致，能够通过不断将正选信号调整的方式，令其将市电平率与相位来实现这一最终目的。初次参考信号在主程序中的自我检测缓解，依照开机时间输入的市电频率以及相位进行确定，在此以后，要依照市电输入的相关变化情况，将正选信号与频率相位进行全面调节。

具体方式主要分为两种：相位与频率的同步调节和相位与频率的分步调节。在两个调节过程中，我们能够获悉，前者相关锁相速度与动态响应的特性情况要好于后者，但前者从运算量上来看要明显优于后者，所以说要有相对高的运算能力作为处理器支持。在本实验中涉及到的DSP系统时钟为120兆赫，能够在根本上满足这一要求。

3.4 电池充放电的电路驱动软件

对于电池放电过程的相关驱动，同样能够利用SPWM的方法进行实现，和逆向变电驱动不同的是，主要体现在放电和充电的过程驱动。两者分别需要不同的SPWM信号加以支持。相关实现范式和逆变电路软件极为相似，同样使用了EVB事件中管理模块进行实现。相关控制的计算方式在GP定时器4中段子程序中来执行， 在该程序中们只需要将SPWM信号所占的空间比进行调节，蓄电池在进行放电运行的过程中需要对相关情况进行全面判断，其工作模式一般都在主程序中完成。

4 结语

综上所述，该文在一定程度上完了对UPS中的软件与硬件进行了全面设计，并实现了特定的功能，但本文仅对功率较大的UPS系统实现进行了初步尝试，现对嵌入式再现式数字不间断电源设计工作进行了展望。

（1）为了在根本上将更大的功率容量进行全面设计，应该在多UPS的并联方面进行全面研究。

（2）对于上位机软件的相关设计，可以使用PC将UPS的运行情况进行全面检测，并对具体的参数进行调试。

（3）对于功率电路上的每个部分的相关控制方式，都要进行深入性的研究，将控制化算法进行全面优化，令其精准性更高。

参考文献

[1] 王林兵，何湘宁.UPS的分类、关键技术分析与发展动态预测[J].电工技术，2003（10）：21-24.

[2] 钱希森.小型UPS原理及应用[M].北京：科学出版社，2000：132-150.

[3] 环保明星—— 伊顿9395系列UPS[J].电气应用，2010，29（11）：30-32.

[4] 张广明.UPS技术发展趋势与应用中的问题[J].电信工程技术与标准化，2003（6）：1-8.

[5] 温顺理，杨波.大功率UPS工频机和高频机性能对比[J].电源世界，2009（7）：59-61.

[6] 王耀北，闫英敏，胡长义.基于DSP控制的IPM数字化直流伺服驱动系统设计[J].电气传动，2006，36（8）：43-46.