基于51单片机的数控UPS电源设计

张志荣

(中北大学 朔州校区，山西 朔州 036000)

0　引　言

UPS不间断电源是由电池组和其他电路组成，能在电网停电时提供交流电力的电源设备。不间断电源现已广泛应用于航天、工业、通讯、国防等领域[1]。UPS种类多样，实现方法各不相同，系统复杂。本系统完成一台输出电压等级为24 V和36 V、输出频率为50 Hz和400 Hz且可切换的UPS后备式变频电源。50 Hz和400 Hz是工频和中频典型值，24 V和36 V也是工业、军事常用电压等级。电瓶充电方法采用较为先进的慢脉冲充电法，同时还加入主动式功率因数校正电路使功率因数达到0.9以上。

1　系统设计

市电经过工频变压器降压、整流桥整流后的脉动半波电压接入由UC28019控制芯片构成的主动式高功率因数校正器，经校正后输出20 V的直流电作为系统主电源并接入电源切换管理电路，同时12 V蓄电池也接入切换管理电路。蓄电池接电池充电管理器，在市电正常时对蓄电池进行慢脉冲充电。电源切换管理电路由LM393构成的窗口电压比较器加继电器模块实现，当市电电压在正常范围内时由市电供电，市电电压不在正常范围内或断电时切换为电瓶供电。电源切换管理电路输出的电压送入由TL494组成的前级推挽DC/DC变换器，得到的直流电压送入后级正弦波桥式逆变电路中逆变，输出经低通滤波器滤波后，得到纯净的正弦波。主控MCU负责逆变信号的产生、系统的安全监测等，起着非常重要的作用。系统整体结构如图1所示。

图1　系统结构框图

2　前级DC/DC变换

2.1　推挽拓扑结构

来自电瓶或市电整流滤波后的直流电压，经由推挽变换器[2]两个开关管的轮流导通变换，使初级两极线圈中产生方向相反的励磁电流，并在次级感应出高频交流电。输出经过四个肖特基高速二极管构成的全桥整流电路后，变为脉动直流电，再经由两个高频电解电容和一个磁环电感组成的π型滤波器，得到稳定的纹波系数很小的直流电压送入逆变后级使用。推挽拓扑结构如图2所示。

2.2　TL494推挽控制

推挽变换器的两个开关管的开关信号由TL494给出，输出形式为双端输出。利用TL494自带的两个误差放大器[3]，构成两个闭环反馈，即稳压环和限流环。限流环在额定电流时不起作用，不能对稳压环造成干扰，只有当电流超过限定电流时才加以干预，减小占空比，降低输出电压，达到限流目的。本系统中的TL494应用原理如图3所示。

图2　推挽拓扑结构示意图

图3　TL494应用原理图

3　后级SPWM逆变

3.1　全桥拓扑结构

后级逆变电路结构采用全桥拓扑方案，由4只IRF3205组成H桥式结构，Q1、Q4和Q2、Q3分别互为两组对角，工作时两组对角轮流导通[4]。MOS驱动芯片选用IR2104自举升压驱动方案，因为全桥结构的四只功率管不共地，高端开关管的源极会在同一侧桥臂的下管关断时电位被抬升至电源电压，如果直接驱动，上管将无法开启，逆变电路不能工作，因此需要选用自举升压电路来实现对高端功率管的开通。当下管导通时，电源VCC将通过二极管对电路中的自举电容充电。下管关断后自举电容一侧电位被抬升，另一侧电位叠加VCC形成比电源电压更高的电压加在上管的栅极使上管导通，如图4所示。

图4　全桥逆变原理图

3.2　软件SPWM生成

SPWM正弦脉宽调制信号的产生，使用宏晶公司生产的STC15W408AS增强型8位51单片机。该芯片片上功能丰富，自带三路PCA/PWM模块，内部集成高精度RC时钟电路，最高可达33 MHz，自带硬件看门狗可防止逆变信号异常。

SPWM正弦脉宽调制是靠芯片自带的PCA/PWM模块实现的[5]，芯片自带3个捕获比较模块，本设计中用到其中两路。调制方法为单极性正弦脉宽调制，基本原理为等效面积法，原理如图5所示，即在一个正弦周期内用宽窄不等的方波来等效正弦波。利用这一思想，将单片机的PCA模块通过相关寄存器配置为PWM输出，输出占空比呈周期性正弦规律变化，将占空比数值通过计算制成正弦波表存入芯片ROM中，在程序执行时以供调用。

图5　等效面积法示意图

4　主动式功率因数校正

UCC28019是一款8引脚的连续导电模式(CCM)控制器，该器件具有宽泛的通用输入范围，适用于100 W至2 kW以上的功率变换器[6]。本系统中UCC28019使用Boost拓扑结构，工作于电流连续导电模式。UCC28019主要通过两个外部控制环路来实现功率因数校正的目的，使电流波形正弦化，电压、电流相位差达到最小。其典型应用电路如图6所示。

外围电路相关参数的计算比较复杂，可使用美国德州仪器(Texas Instrument)官方网站(WWW.TI.COM)给出的辅助计算软件来进行初步的理论值计算，结合后期的实际调试，使电路达到最好的工作状态，达到高功率因数校正的目的，同时减少开发难度和节省时间。

图6　UCC28019典型应用电路

5　慢脉冲充电法

UC3909是由美国Unitrode公司推出的一款蓄电池专用充电控制管理芯片[7]。利用UC3909充电控制器,可以组成开关型铅酸电池快速充电器。基于铅酸蓄电池的特性，采用四段式方法为电池充电，四阶段充电方式充电状态如图7所示。四阶段充电方式可以为蓄电池提供在不同状态时合适的充电电压和电流，将恒流充电快速安全地对蓄电池进行初始充电和恒压充电有效地结合起来，从而使蓄电池的容量达到额定值，延长其寿命。四个阶段描述如下：

(1)状态1：涓流充电(T0～T1)。当蓄电池的电压低于终止电压即所设定的门槛电压时，充电器将提供一个很小的充电电流进行充电，这是防止恒流充电时的大电流灌入损坏蓄电池。

(2)状态2：恒流充电(T1～T2)。充电器提供一个恒定的充电电流给蓄电池。在这个阶段，蓄电池的容量快速增加，直到蓄电池的电压上升到过压充电电压，蓄电池进入过压充电。

(3)状态3：过压充电(T2～T3)。在过压充电状态，充电器提供一个略高于蓄电池额定电压的恒定电压给蓄电池，以使蓄电池能量最后达到饱和。这个阶段充电电流逐渐减小。

(4)状态4：浮充充电(T3～-)。充电器提供一个恒定的带有温度补偿的电压给蓄电池，来维持蓄电池容量保持不变，同时会提供很小的浮充电流，弥补蓄电池自身放电造成的容量损失。

图7　四段式充电方法示意图

6　结束语

本系统完成了一款工频与中频兼备的UPS低压数控电源设计，可输出24 V～36 V的正弦交流电压，输出工频与中频可一键切换。系统拥有完善的人机交互模块，可对关键参数进行显示。系统保护功能完善，可防止过流、过压、过载的情况发生，保护负载安全。系统设计合理，工作稳定可靠。

参考文献：

[1]赵亮. 单相UPS逆变系统控制技术研究[D].成都：西南科技大学,2016.

[2]姜艳姝,郭东,徐兴. 基于推挽电路的大功率直流电源设计[J]. 电气传动,2016,46(05):49-52.

[3]贾正松,罗凌,佘青松. 基于TL494升压型DC-DC稳压电源的设计[J]. 兵工自动化,2014,33(06):86-89.

[4]吴军. 基于UC3846的全桥开关电源的设计[D].郑州：郑州大学,2012.

[5]郭鹏伟,孟青，等. 基于增强型51单片机的工频与中频SPWM波产生[J]. 通信电源技术,2017,34(01):39-42.

[6]沈天益,淮攀奇,符影杰. BOOST-APFC开关电源系统的Matlab仿真研究[J]. 工业控制计算机,2016,29(02):138-139.

[7]汤秀芬,米晨. VRLA蓄电池用慢脉冲快速充电器的设计[J]. 电源技术,2008,(01):56-58.