直流UPS电源设计

郭杨

摘要：UPS是不间断电源的简称，是一种包含储能的装置，属于精致型恒压、恒频电力电子电源设备，具有改善用电质量、保护用电设备、防止由于波形畸变、高频噪音以及瞬时停电给用户造成危害等功能。对于通讯系统等直流用电负载而言，从供电的可靠性、安全性及运行效率考虑，直流UPS较之交流UPS具有更为突出的优点。本设计为基于MOS管控制的直流不间断电源，研究UPS的充电过程，设计了一个基于CN3717的充电电路。当市电正常时，由市电直接通过Buck-Boost稳压电路输出，同时向蓄电池充电；当市电断开时，由蓄电池供电通过Buck-Boost稳压电路输出。

关键词：UPS；不间断电源；充电电路

1总体设计方案

1.1本课题研究或解决的问题

分析直流UPS电源产品的优缺点，确定本课题所研究系统的技术类型。

分析当前直流UPS电源产品的优缺点的基础上，确定系统的总体设计方案。

系统设计过程。

在选定好所使用器件的基础上，通过电路仿真来检验设计的可行性及可操作性。

1.2研究本课题的意义

UPS配置是供电系统的核心，它的功能有两个：一是保障向负载供电的不间断性；二是改善对负载的供电质量。可以为设备提供连续、平稳和无感染的电能。

市电供应正常时，由市电为负载供电；切断电源后，立即切换装置，转换为电池供电市电恢复后，重新恢复市电供电。当电源出现故障时，连接高质量的交流电源，保管一定时间内安全门的一般开启等一系列应急措施的展开。可以说，它是一种不仅能向负载提供不间断、优质、可靠的直流电源，还能实时保护和检测监控供电状态功能的供电设备。

1.3本课题设计的基本思路

系统设计框图如图1.3所示：

本设计题为直流UPS电源设计，采用设计软硬件电路的方案实现其功能。系统硬件设计可分为市电供电电路模块、铅酸蓄电池充电电路模块、市电断电及铅酸蓄电池放电模块、充电电压和充电电流显示模块四部分。

工作原理：当市电正常时，直接从城市通过降压升压稳压电路输出，同时充电电池；当市电断开时，由蓄电池供电通过Buck-Boost稳压电路输出。在过充电和浮充电模式，充电电压由外部电阻分压网络设置。

2系统主要模块的选择与论证

2.1直流UPS电池切换器件的选择

当市电断电后，通过AO4408这个P沟道的MOS管的控制打开铅蓄电池，通过铅蓄电池向外供电，AO4408的低栅极电荷有出色的开关性能，本设计就是选择AO4408作为Buck-Boost稳压电路输出，这些器件非常适合用于笔记本电脑应用：负载切换和电源管理，电池充电电路和DC/DC变换等

2.2输入电路的选择

电压输入电路的作用是把不同量程的被测电压规范到A/D转换器所要求的电压值。单片机数字电压表所要求输入电压在0-5V。但是采用了分压电路可以增大测量电压量程范围，本仪表设计是0-30V电压量程。通过调节电位器R8和修改程序参数，可以更改测量电压量程。充电电流输入电路并进行电流采样。从电流量到电压量的转换是由电流检测电路来实现的，本设计采用采样电阻的方法实现对电流的采集，这样才能够进行数据采集。

在本设计中为了不影响电压的输出，采样电阻的阻值较小，因此采样后电流转换为电压时电压值较小，在设计过程中采用芯片OP07对电压进行放大，使得输入到ADC0808的电压在0—5V之间，再应用相应的程序控制使得电流值得以显示

2.3通道控制选择

由于输出显示部分有充电电流和充电电压两部分，在显示输出时有两路输出，在设计中只用到了一个四位一体的数码管，因此充电电流和充电电压只能轮流显示，INO通道控制的是充电电压的显示输出量，IN1通道控制的是充电电流的显示输出量。在单片机的P3.2和P3.3端口分别设置了两个按键开关SW2和SW3，当SW3按下时，数码管依次显示充电电流和充电电压的值，SW2按下时可以锁定充电电流或充电电压的显示值。

2.4系统软件选择

2.4.1由于本设计只用到一位计时，所以采用AT89S51单片机芯片即可。单片机系统主要负责对ADC0808转换后的数字量进行处理并相应地在数码管上显示输出。

2.4.2ADC0808具有模拟输入线8通道（0~7），可用于A/D转换任何信道下的编程，使用8位二进制数字（D7~D0），本程序用固定通道IN0和IN1分别控制充电电压和充电电流的采样输入。

2.4.3ADC0808和单片机连接电路设计软件系统的程序流程图如图2.4所示。为了提高精度，减少误差，采集三次AD的数据再求平均值。三单片机的数据处理，平均值，查表的使用，将数据发送到P2，P0端口，然后通过数字显示电压。这样一次完整的AD转换测试电压和电流的过程就完成了。

3总结与展望

本论文详细阐述了直流UPS电源系统的设计过程，从理论准备阶段，到完成各模块的硬件电路连接，进行系统仿真，模拟实验，并进行检测与修改。取得了一定的成果，但是还需要进一步的研究和探索。可以采取其他控制策略，以得到更优的可靠电源，也可以在此基础上设计带各类保护措施的UPS，并使其功能得以完善，能够运用到实际生产工作中。

直流UPS电源有很多优点，它的功能是使计算机系统在逝去供电之后仍能持续工作一段时间以便用户紧急存盘，不至于因断电外的原因而造成数据的丢失。首先，节能，其二，高可靠性。直流UPS实际应用目前也取得了很大进展，在国外发达国家，机房采用大规模直流供电已取得了成功。在我国，经过科学家和工程师的不断探索，试点工作取得了很大进展。

直流UPS电源的远景无穷，在当今社会的推行中碰见的主要问题有：

①人们观念问题。绝大多数至今认为直流供电需要专用的直流IT设备，实践已经证明，只要选择合适的直流电压，绝大多数现有的IT设备不经任何改造就可以在直流环境下稳定运行。

②标准和规范问题。缺乏相应的标准和规范，直流电源只能停留在试验和试验阶段，不能进行标准化设计和施工改造，应用难以全面推广。

③产品的质量和品牌问题。有技术的优势，不代表有产品的优势。但如果直流UPS产品上质量没保证，人们很容易把产品的问题混同于技术问题，从而削弱直流供电的技术优势，使得直流UPS电源供电的推广受到阻碍。

直流供电技术应抓住国家节能减排的机遇，克服其不足，加快发展。

参考文献

[1]阎石.数字电子技术基础（第五版）[M].高等教育出版社,2005.

[2]罗泠.数字化在线式UPS的研究和开发[D].华中科技大学,2010年.

作者简介

郭杨（1991-08-22），男，汉，惯籍：贵州省毕节市，在校本科生，研究方向：电气工程自动化。