一种基于直流电源管理器的UPS 电路

周雪军

（河南中烟有限责任公司黄金叶生产制造中心，河南郑州 450052）

0 引言

当前的UPS 系统，是应用反复充电器电池作为直流电源系统的后备电源，这种UPS 起到的作用是当出现问题、配电网断电以后，UPS 能起到稳定供电电能的作用，此时，UPS 中蓄存的电能能够替代配电网提供的直流电能。对基于直流电源管理器的UPS 电路进行设计。

1 设计背景

UPS 是不断电电源系统，就是当停电时能够接替市电持续供应电力的设备，它的动力来自电池组，由于电子元器件反应速度快，停电瞬间在4～8 ms 内或无中段时间下继续供应电力。UPS 作为计算机重要外设，在保护计算机数据、保证电网电压和频率的稳定，改进电网质量，防止瞬时停电和事故停电对用户造成的危害等是非常重要的。由于UPS 直流供电器不能大电流直接充放电，也不能应用感性负载，使之在很多领域的应用受到限制。然而当前，很多领域需要应用UPS 直流供电系统，如目前基本上所有的工业控制核心是工业控制计算机与PLC 等，为确保其正常工作，均采用UPS 供电。

2 设计思路

目前UPS 系统应用原理为用蓄电池完成电能储存。如果配电网中，能正常提供电能，那么蓄电池会通过整流装置和放电电路来接收电流，确保直流系统供电安全可靠性；如果配电网不能够正常提供电能，那么蓄电池会通过放电回路向配电网中的电器设施提供直流电能。为解决上述问题，设计一种基于直流电源管理器的UPS 电路。它由直流电流管理器、AC 220 V/DC 24 V 开关电源、铅蓄电池组、工业控制计算机、继电器等组成。该电路不再各自单独配备蓄电池组，而是应用一组通用蓄电池组作为蓄电池，该蓄电池组为交流停电时的唯一后备电源。该电路由AC 220 V/DC 24 V 开关电源开启及关闭直流电源管理器的UPS 电路，它是一种以直流电源为核心，能够与任何一种或一种以上电源构成的组合体。应用该种直流电源管理器的UPS 电路的设计，它不仅在交流市电的情况下提供稳定无干扰的DC 24 V，而且在断电时提供15 min（可调）的直流供电，确保工业计算机正常关机。同时能对输入电源与输出电源品质及蓄电池充放电能力进行诊断与故障输出。

3 装置结构

3.1 整体设计

此电路中采用西门子的6EP1334—2BA20 直流电源管理器，它的DC 24 V 电源输入端与AC 220 V/DC 24 V 开关电源的输出端相连，DC 24 V 电源输出端与工业计算机相连（现用型号为西门子的SIMATIC IPC627C），电池模块端与铅蓄电池（现用型号为西门子6EP1935 6ND11）相连，同时当输入、输出电压低或波动时或蓄电池充放电能力差时控制相应继电器动作，把信号反馈给其他控制电路进行提示、警告或切断电源。如果DC 24 V 电源发生故障或下降到小于设定的切入阀值，而且蓄电池在连接供电模式下并保持在充满状态，此时便可继续对工业计算机进行供电。整体设计电路如图1 所示。

3.2 硬件设计

3.2.1 供电电路设计

AC 220 V/DC 24 V 开关电源的作用是为直流电流管理器提供稳定的电压，同时为蓄电池提供充电电源。此电路中开关电源的型号为weidmuller PRO EC03，功率240 W，电流10 A。

3.2.2 单体电池电压采集电路设计

此次应用电池模块端与铅蓄电池（现用型号为西门子6EP1935—6ND11）相连作为采集电路，虽然从监测的角度而言，该采集电路的蓄电池相连的数量受到一定的制约，但是该电路中可以应用多级链接的方法，让蓄电池组数量自由拓展，从而能突破电池数量的制约。采集电路的另一设计特点为每路采样通道中都具有保护二极管，它能防止外部施加的超过电源的电压引起的内部器件结构受损，这种采集电路设计可以适应各种运行环境。

图1 整体设计电路

3.2.3 均衡电路设计

虽然电池制造厂家会生产具有高度一致性的单体电池，但是电池还是会出现个体差异。该次基于直流电源管理器的UPS电路需要通过均衡电路的方式监测电池组的状态，了解电池组是否具有稳定性和安全性。该次应用了LTC6803 的耗散型均衡电路，设计方法为在电路的均衡控制端口S（n）中内置均衡MOSFETs，电路搭建时，将其连接至每节单体电池均衡回路中，用以控制均衡回路的通断。应用这种方法，可将电池组视为一个整体，监测蓄电池运行情况。

3.2.4 单体电池温度检测设计

在使用蓄电池时，如果工作温度不稳定，则会影响蓄电池使用质量。为了解蓄电池使用情况，需要设计单体电池温度检测电路。该次应用具有抗干扰能力强、采集精度高的数字式温度传感器自动完成电池诊断、输入诊断、输出诊断，为计算机控制提供精确的数字依据，可以有效监测集体电池温度的状况。

3.2.5 通信控制电路及JTAG 接口

该次应用RS485 通信控制电路和一路JTAG 接口来接收数据信息。其中，RS485 通信控制电路负责传输信息，JTAG 接口用来外接硬件仿真系统和完成代码烧录。应用这样的设计方法，既能满足通信的需求，又能让电路系统具有拓展性。

3.3 软件设计

3.3.1 软件开发环境

该次应用IAR Embedded workbench for ARM 集成开发环境，在这种开发环境下，应用C 语言编程，可将程序编辑、编译以后，应用JTAG 接口下载到STM32F105 微控制器中，然后应用工业控制计算机自动控制直流电源管理器的UPS 电路运作。

3.3.2 工艺运行流程

（1）直流电源管理器的UPS 电路的运作程序。开始上电——初始化——总电流采集、接收BMU 数据信息——数据处理——SOC 估算——显示SOC 估算结果——计算机自动判是否需要保护及报警，如是进入启动保护，如不是进入数据存储——启动保护——数据存储——结束。

（2）蓄电池监测流程。系统上电——初始化——应用LTC6803通信——进入LTC6803 模式——通信电池诊断、输入诊断、输出诊断监测数据信息——数据处理——判断是否启动均衡，如是进入启动均衡保护，如不是进入与CMU 通信——启动均衡保护——与CMU 通信——结束。

3.3.3 稳定性软件设计

（1）应用复合数字滤波处理器，可以丢弃数据的最大值和最小值，再判断数据采样的结果，可以让直流电源管理器的UPS电路适应复杂的环境，避免在复杂的环境中受到光电干扰。

（2）应用“看门狗”技术，可以应用软件来设定循环时间，避免系统进入死循环，这样可以提高直流电源管理器的UPS 电路使用的稳定性。

（3）应用RAM 数据冗余技术，它将数据备份于若干地方，如果软件在运行时，受到种种因素的影响，出现了数据损坏的情况，那么可提取备份数据去弥补缺失的数据。这样可以再次提高直流电源管理器的UPS 电路使用的稳定性。

（4）输出端口刷新，当I/O 口输出状态将要改变时，先将输出状态值备份到RAM 指定的单元中，在之后的程序运行中根据数据备份至RAM 中的状态内容去周期性刷新I/O 端口。这样可以周期性的校正数据端口的数值，从而提高直流电源管理器的UPS 电路使用的稳定性。

4 测试分析

目前选用的蓄电池型号可保持15 min 的供电。电池的切入阀值、充电电流和缓冲时间可由直流电源管理模块上的DIP 开关设置。如果输入直流电压降至设定的输入切入阀值电压，则电源管理模块切换到浮空运行，负载由蓄电池供电，切入阀值的设定范围为22～25.5 V，增量为0.5 V，精度为正负1.8%。充电电流的设置请参考蓄电池的参数，蓄电池以恒电流充电，直到达到设定的切入阀值电压，充电电流的设定范围为0.35 A±0.1 A 或0.7 A±0.1 A。缓冲时间设置范围为5～635 s，增量为10 s，当缓冲时间到或蓄电池过度放电阀值到达后，电源管理模块浮空运行，切断与蓄电池的连接即对工业计算机不再供电。

5 结论

此次设计的直流电源管理器的UPS 电路采用了一体化的设计思路，应用AC 220 V/DC 24 V 开关电源控制直流电源管理器的UPS 电路的开启与关闭；然后应用单体电池电压采集电路设计，将一组蓄电池组作为一个整体；应用工业控制计算机采集直流电源管理器的UPS 电路运行的情况，实现电池诊断、输入诊断、输出诊断监测数据信息、单体电池温度测量；采用RS485 通信控制电路和一路JTAG 接口设计与IAR Embedded workbench for ARM 集成开发环境，让系统流程图可以实现。经过运行测试可知，这一设计方案可以让直流电源管理器的UPS电路高效、稳定的运行，并能应用工业控制计算机智能化、高效地管理电路。