引言
該類小型智能化UPS 電源主要應用在通信行業(yè)、醫(yī)療設備和移動機器人等低電壓場合，具備運行可靠、噪音小、能耗低等特點。目前國外多所高校和公司在針對該類UPS 進行研究和試制，并且在小型交流UPS 電源上取得了一些進展。但是國內所進行的相關研究尚處于起步階段。
不同于多數(shù)交流輸出的UPS 電源，本文提出的小型UPS 電源是通過控制相應的DC-DC 模塊直接獲得直流輸出，避免了轉換過程中的能量損耗。在系統(tǒng)設計上采用了嵌入式設計思想，將主控芯片與外圍功能電路融合在同一塊電路板中，軟硬件協(xié)同工作以實現(xiàn)UPS 的智能化管理并大大減小系統(tǒng)的體積。
1 硬件系統(tǒng)
1.1 系統(tǒng)概述
根據(jù)項目需要，設計以110 V/50Hz 的交流電為市電輸入，通過開關電源模塊將110V 交流電轉換成12 V 的直流電。同時該模塊內置市電檢測模塊，用來產生市電掉電信號，并將信號傳送給主控芯片。市電經(jīng)過開關電源AC-DC 轉換后得到12 V 直流輸出并通過LTC4256 熱插拔保護模塊供給負載。同時該直流輸出經(jīng)過LTC1512 充電模塊穩(wěn)流后對鋰電池組進行充電。當系統(tǒng)工作在電池組供電模式時，鋰電池組通過LTC3780 放電模塊為負載提供12 V 直流供電。
1.2 主控芯片
為了提高系統(tǒng)的集成度，設計采用內部集成AD 轉換功能單元的C8051F320 作為主控芯片。該芯片內含兩個外部中斷源(INT0,INT1)以及一個可編程計數(shù)器陣列(Programmable Counter Array,PCA)， 可以同時監(jiān)測多路I/O 信號及產生方波控制信號。
主控芯片通過不斷讀取鋰電池組電壓、溫度、充電電流以獲知系統(tǒng)當前的運行狀況。當捕捉到市電掉電信號時，主控芯片迅速給LTC3780 發(fā)出工作信號(高電平)，并給LTC1512 發(fā)出關閉信號(低電平)，從而實現(xiàn)對負載的不間斷供電;當捕捉到市電來電信號時，主控芯片給出相反的邏輯電平，切換為市電供電狀態(tài)。
1.3 市電檢測模塊
為了實現(xiàn)對主控芯片及其他外圍芯片的隔離保護，市電檢測模塊通過PC817 型光耦將市電掉電信號接入主控芯片：當市電正常供電時，在光敏二極管的驅動下，主控芯片的對應引腳直接被接地置低;當市電掉電時，光耦斷開，對應引腳被3.3 V 電源置高。主控芯片通過中斷程序監(jiān)測該引腳上邏輯電平的變化得到市電供電的狀態(tài)從而控制UPS 電源工作在相應狀態(tài)。
1.4 電源管理模塊
電源管理模塊由電源選擇單元和穩(wěn)壓芯片組構成。設計采用電源選擇芯片LTC4416 實現(xiàn)內部電源選擇。開關電源輸出為主電源，鋰電池組為從電源。其工作方式為：當市電供電時，LTC4416 通過E1 引腳判定主電源供電正常; 當開關電源輸出電壓低于Vf a iLTC4416 判定主電源供電故障， 選擇鋰電池組對系統(tǒng)內部供電。電源選擇電路不僅保證了系統(tǒng)內部正常供電，也增加了電池組的工作時間。穩(wěn)壓芯片組將選擇后的電源分別穩(wěn)壓為5 V 和3.3 V,并提供給相應的模塊，
1.5 后備鋰電池組
該UPS 電源采用14.4 V,3.3 Ah 可充電鋰電池組作為后備電池組，其最大充電電壓為17.4 V.電池組內部集成了控制芯片，供電后，控制芯片能產生充電完成信號、放電結束信號以及電池組溫度。
1.6 充電模塊及放電模塊
以LTC1512 為核心的充電模塊，通過電壓及電流反饋調節(jié)等方式將12 V 直流輸入轉換為16.8 V的恒流輸出向電池組充電。當電池組供電時，以LTC3780 為核心的放電模塊將電池組輸出穩(wěn)壓為12 V 提供給負載。
為了實現(xiàn)對UPS 的智能化管理，系統(tǒng)需要對電池組電壓和充電電流進行監(jiān)測。電池組電壓的測量方法為：將電壓分壓、濾波后送入主控芯片的AD 轉換單元，處理得到當前電壓值。充電電流則通過將采樣電阻兩端的電壓分別送入ADC 單元轉換得到電壓差值，進而推導出電流值。
1.7 熱插拔模塊
熱插拔保護即帶電插拔保護，允許用戶在不關閉系統(tǒng)、不切斷電源的情況下取出和更換硬盤、電源或板卡等部件。該UPS 電源優(yōu)點之一是集成以LTC4256 為核心的熱插拔保護模塊，從而提高系統(tǒng)對災難的及時恢復能力、擴展性和靈活性等。此外LTC4256 還能起到抑制輸出紋波、提高電能質量的作用。
開關電源是現(xiàn)代電子設備中常用的電源供應方式之一，它具有高效率、小體積、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在各種電子產品中得到廣泛應用。然而，對于初學者來說，設計和調試開關電源可能是一個具有挑戰(zhàn)性的任務。本文將從零開始，一步步為大家介紹如何設計和調試開關電源。
理解開關電源的基本原理
在設計開關電源之前，首先要理解開關電源的基本原理。開關電源通過開關管的開關動作來調節(jié)輸入電源，從而輸出所需的電壓和電流。其基本組成包括輸入濾波電路、整流電路、變換電路、輸出濾波電路等。對于初學者來說，建議先通過學習相關的理論知識，對開關電源的工作原理有一個清晰的認識。
選擇合適的器件和元件
在設計開關電源時，選擇合適的器件和元件是至關重要的。例如，選擇合適的開關管、變壓器、電容器和電感器等元件，以確保電源的性能和穩(wěn)定性。此外，還需要根據(jù)設計需求選擇合適的控制電路和保護電路，以提高電源的可靠性和安全性。
在選擇好器件和元件后，可以開始進行電路設計和仿真分析。利用電路設計軟件，繪制出開關電源的原理圖，并進行仿真分析，驗證電路的性能和穩(wěn)定性。通過仿真分析，可以及時發(fā)現(xiàn)和解決電路中存在的問題，提高設計的效率和準確性。
PCB設計和布局布線
完成電路設計和仿真分析后，接下來是進行PCB設計和布局布線。合理的PCB布局和布線可以有效地減小電路的電磁干擾和噪聲，提高電路的抗干擾能力和穩(wěn)定性。因此，在進行PCB設計時，需要注意布局布線的規(guī)范和技巧，確保電路的性能和可靠性。
進行實驗驗證和調試優(yōu)化
完成PCB設計和布局布線后，接下來是進行實驗驗證和調試優(yōu)化。將設計好的PCB板進行加工制作，并進行實驗驗證，檢查電路的工作狀態(tài)和性能參數(shù)。在實驗驗證過程中，可能會出現(xiàn)一些問題，需要及時進行調試優(yōu)化，找出并解決問題，確保電路的正常工作。
總結和分享經(jīng)驗
最后，完成開關電源的設計和調試后，可以對整個過程進行總結和分享經(jīng)驗。總結經(jīng)驗可以幫助我們更好地理解和掌握開關電源的設計和調試技巧，為以后的設計工作提供參考和借鑒。同時，也可以通過分享經(jīng)驗，與其他人交流和學習，共同進步。
通過以上六個步驟，我們可以逐步學習和掌握開關電源的設計和調試技巧，從而設計出性能穩(wěn)定、可靠性高的開關電源。雖然設計和調試開關電源可能會遇到一些挑戰(zhàn)，但只要有耐心和勇氣，相信每個人都可以完成這個任務。希望本文能夠幫助到大家，祝愿大家在開關電源的設計和調試過程中取得成功!
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