一種小型UPS電源的嵌入式設(shè)計(jì)

引言

　　該類(lèi)小型智能化UPS 電源主要應(yīng)用在通信行業(yè)、醫(yī)療設(shè)備和移動(dòng)機(jī)器人等低電壓場(chǎng)合，具備運(yùn)行可靠、噪音小、能耗低等特點(diǎn)。目前國(guó)外多所高校和公司在針對(duì)該類(lèi)UPS 進(jìn)行研究和試制，并且在小型交流UPS 電源上取得了一些進(jìn)展。但是國(guó)內(nèi)所進(jìn)行的相關(guān)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(guò)控制相應(yīng)的DC-DC 模塊直接獲得直流輸出，避免了轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損耗。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用了嵌入式設(shè)計(jì)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(shí)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

　　如圖1 所示，根據(jù)項(xiàng)目需要，設(shè)計(jì)以110 V/50Hz 的交流電為市電輸入，通過(guò)開(kāi)關(guān)電源模塊將110V 交流電轉(zhuǎn)換成12 V 的直流電。同時(shí)該模塊內(nèi)置市電檢測(cè)模塊，用來(lái)產(chǎn)生市電掉電信號(hào)，并將信號(hào)傳送給主控芯片。市電經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電源AC-DC 轉(zhuǎn)換后得到12 V 直流輸出并通過(guò)LTC4256 熱插拔保護(hù)模塊供給負(fù)載。同時(shí)該直流輸出經(jīng)過(guò)LTC1512 充電模塊穩(wěn)流后對(duì)鋰電池組進(jìn)行充電。當(dāng)系統(tǒng)工作在電池組供電模式時(shí)，鋰電池組通過(guò)LTC3780 放電模塊為負(fù)載提供12 V 直流供電。

圖1 系統(tǒng)整體方框圖

　　1.2 主控芯片

　　為了提高系統(tǒng)的集成度，設(shè)計(jì)采用內(nèi)部集成AD 轉(zhuǎn)換功能單元的C8051F320 作為主控芯片。該芯片內(nèi)含兩個(gè)外部中斷源（INT0,INT1）以及一個(gè)可編程計(jì)數(shù)器陣列（Programmable Counter Array,PCA）， 可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多路I/O 信號(hào)及產(chǎn)生方波控制信號(hào)。

　　主控芯片通過(guò)不斷讀取鋰電池組電壓、溫度、充電電流以獲知系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀況。當(dāng)捕捉到市電掉電信號(hào)時(shí)，主控芯片迅速給LTC3780 發(fā)出工作信號(hào)（高電平），并給LTC1512 發(fā)出關(guān)閉信號(hào)（低電平），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的不間斷供電；當(dāng)捕捉到市電來(lái)電信號(hào)時(shí)，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(cè)模塊

　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)主控芯片及其他外圍芯片的隔離保護(hù)，市電檢測(cè)模塊通過(guò)PC817 型光耦將市電掉電信號(hào)接入主控芯片：當(dāng)市電正常供電時(shí)，在光敏二極管的驅(qū)動(dòng)下，主控芯片的對(duì)應(yīng)引腳直接被接地置低；當(dāng)市電掉電時(shí)，光耦斷開(kāi)，對(duì)應(yīng)引腳被3.3 V 電源置高。主控芯片通過(guò)中斷程序監(jiān)測(cè)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(yīng)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(gòu)成。設(shè)計(jì)采用電源選擇芯片LTC4416 實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電源選擇。電路如圖2 所示，開(kāi)關(guān)電源輸出為主電源，鋰電池組為從電源。其工作方式為：當(dāng)市電供電時(shí)，LTC4416 通過(guò)E1 引腳判定主電源供電正常； 當(dāng)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓低于Vf a i l（圖中電路Vf a i l為8.9 V）時(shí)，LTC4416 判定主電源供電故障， 選擇鋰電池組對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部供電。電源選擇電路不僅保證了系統(tǒng)內(nèi)部正常供電，也增加了電池組的工作時(shí)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(yīng)的模塊， 系統(tǒng)內(nèi)部電源分配如圖3 所示。

圖2 LTC4416 電源選擇模塊電路

圖3 系統(tǒng)內(nèi)部電源框圖[!--empirenews.page--]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(nèi)部集成了控制芯片，供電后，控制芯片能產(chǎn)生充電完成信號(hào)、放電結(jié)束信號(hào)以及電池組溫度。

　　1.6 充電模塊及放電模塊

　　以L(fǎng)TC1512 為核心的充電模塊，通過(guò)電壓及電流反饋調(diào)節(jié)等方式將12 V 直流輸入轉(zhuǎn)換為16.8 V的恒流輸出向電池組充電。當(dāng)電池組供電時(shí)，以L(fǎng)TC3780 為核心的放電模塊將電池組輸出穩(wěn)壓為12 V 提供給負(fù)載。

　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS 的智能化管理，系統(tǒng)需要對(duì)電池組電壓和充電電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。電池組電壓的測(cè)量方法為：將電壓分壓、濾波后送入主控芯片的AD 轉(zhuǎn)換單元，處理得到當(dāng)前電壓值。充電電流則通過(guò)將采樣電阻兩端的電壓分別送入ADC 單元轉(zhuǎn)換得到電壓差值，進(jìn)而推導(dǎo)出電流值。

　　1.7 熱插拔模塊

　　熱插拔保護(hù)即帶電插拔保護(hù)，允許用戶(hù)在不關(guān)閉系統(tǒng)、不切斷電源的情況下取出和更換硬盤(pán)、電源或板卡等部件。該UPS 電源優(yōu)點(diǎn)之一是集成以L(fǎng)TC4256 為核心的熱插拔保護(hù)模塊，從而提高系統(tǒng)對(duì)災(zāi)難的及時(shí)恢復(fù)能力、擴(kuò)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(zhì)量的作用。

　　2 軟件系統(tǒng)

　　2.1 軟件系統(tǒng)功能描述

　　智能UPS 電源的功能是基于硬件電路設(shè)計(jì)，利用軟件控制相應(yīng)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖4 所示，軟件系統(tǒng)的主要功能為：

圖4 軟件功能說(shuō)明圖

　　（1） 當(dāng)市電正常供電時(shí)， 軟件系統(tǒng)通過(guò)獲取電池組信息來(lái)判斷是否對(duì)電池組充電，并監(jiān)控電池組電壓和溫度，確保UPS 電源的正常工作。

　?。?） 當(dāng)市電對(duì)電池組充電時(shí)， 中斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電電流，出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出報(bào)警并停止充電以保護(hù)電池組。

　?。?） 當(dāng)市電掉電時(shí)， 軟件系統(tǒng)控制主控芯片迅速給出相應(yīng)控制信號(hào)，切換到電池組供電模式。

　?。?） 當(dāng)UPS 電源工作在電池組供電模式時(shí)，中斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控放電結(jié)束信號(hào)和電池組電壓，當(dāng)電池組電能耗盡時(shí)，停止電池組供電。

　　（5） 當(dāng)電池組電壓過(guò)低或電池組溫度異常時(shí)，軟件系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警指示， 并且強(qiáng)制關(guān)閉UPS 系統(tǒng)，確保系統(tǒng)安全。

　　2.2 主控芯片的初始化

　　C8051F320 每個(gè)引腳都可以被配置為模擬輸入或數(shù)字I/O 引腳， 被選擇作為數(shù)字I/O 的引腳還可以被配置為推挽或漏極開(kāi)路輸出。此外數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到端口I/O 引腳。

　　用戶(hù)可以通過(guò)配置端口跳過(guò)寄存器（PnSKIP）、端口交叉開(kāi)關(guān)寄存器（XBR0, XBR1）等寄存器來(lái)根據(jù)設(shè)計(jì)要求自由分配數(shù)字資源的功能引腳。

　　為了簡(jiǎn)化硬件電路，主控芯片采用內(nèi)部振蕩器作為時(shí)鐘基準(zhǔn)。軟件初始化時(shí)則通過(guò)配置寄存器OSCICN 來(lái)選取內(nèi)部時(shí)鐘基準(zhǔn)。

　　2.3 中斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　由于市電檢測(cè)需要保證足夠的實(shí)時(shí)性，所以采用中斷方式來(lái)監(jiān)測(cè)市電掉電信號(hào)。軟件上采用PCA模塊的輸入捕捉功能來(lái)捕獲信號(hào)的變化，從而提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。PCA 模塊初始化程序如下：

　　void PCA_Init（void）

　　{

　　PCA0MD = 0x00;

　　PCA0CPM0 = 0x31;

　　PCA0CN = 0x40;

　　EIE1 = 0x10;

　　PCA0L = 0x00;

　　PCA0H = 0x00;

　　}

　　2.4 AD 轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)

　　C8051F320 的AD 轉(zhuǎn)換單元支持最多17 路模擬輸入，從功能上滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。其軟件分為初始化和測(cè)量?jī)刹糠?。初始化主要?fù)責(zé)選擇電壓基準(zhǔn)，配置ADC 模塊工作方式等，而測(cè)量部分程序則用來(lái)獲取UPS 工作時(shí)的電池組電壓、充電電流和電池組溫度并根據(jù)報(bào)警閾值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

　　由于A(yíng)D 轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)受到各種因素的干擾，因此程序中需要相應(yīng)的誤差補(bǔ)償來(lái)確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。這些誤差補(bǔ)償參數(shù)可以通過(guò)估算得到理論值，然后根據(jù)多次試驗(yàn)的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行修正得到合適的補(bǔ)償參數(shù)。[!--empirenews.page--]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(nèi)部集成了控制芯片，供電后，控制芯片能產(chǎn)生充電完成信號(hào)、放電結(jié)束信號(hào)以及電池組溫度。

　　1.6 充電模塊及放電模塊

　　以L(fǎng)TC1512 為核心的充電模塊，通過(guò)電壓及電流反饋調(diào)節(jié)等方式將12 V 直流輸入轉(zhuǎn)換為16.8 V的恒流輸出向電池組充電。當(dāng)電池組供電時(shí)，以L(fǎng)TC3780 為核心的放電模塊將電池組輸出穩(wěn)壓為12 V 提供給負(fù)載。

　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS 的智能化管理，系統(tǒng)需要對(duì)電池組電壓和充電電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。電池組電壓的測(cè)量方法為：將電壓分壓、濾波后送入主控芯片的AD 轉(zhuǎn)換單元，處理得到當(dāng)前電壓值。充電電流則通過(guò)將采樣電阻兩端的電壓分別送入ADC 單元轉(zhuǎn)換得到電壓差值，進(jìn)而推導(dǎo)出電流值。

　　1.7 熱插拔模塊

　　熱插拔保護(hù)即帶電插拔保護(hù)，允許用戶(hù)在不關(guān)閉系統(tǒng)、不切斷電源的情況下取出和更換硬盤(pán)、電源或板卡等部件。該UPS 電源優(yōu)點(diǎn)之一是集成以L(fǎng)TC4256 為核心的熱插拔保護(hù)模塊，從而提高系統(tǒng)對(duì)災(zāi)難的及時(shí)恢復(fù)能力、擴(kuò)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(zhì)量的作用。

　　2 軟件系統(tǒng)

　　2.1 軟件系統(tǒng)功能描述

　　智能UPS 電源的功能是基于硬件電路設(shè)計(jì)，利用軟件控制相應(yīng)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖4 所示，軟件系統(tǒng)的主要功能為：

圖4 軟件功能說(shuō)明圖

　　（1） 當(dāng)市電正常供電時(shí)， 軟件系統(tǒng)通過(guò)獲取電池組信息來(lái)判斷是否對(duì)電池組充電，并監(jiān)控電池組電壓和溫度，確保UPS 電源的正常工作。

　?。?） 當(dāng)市電對(duì)電池組充電時(shí)， 中斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電電流，出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出報(bào)警并停止充電以保護(hù)電池組。

　?。?） 當(dāng)市電掉電時(shí)， 軟件系統(tǒng)控制主控芯片迅速給出相應(yīng)控制信號(hào)，切換到電池組供電模式。

　　（4） 當(dāng)UPS 電源工作在電池組供電模式時(shí)，中斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控放電結(jié)束信號(hào)和電池組電壓，當(dāng)電池組電能耗盡時(shí)，停止電池組供電。

　?。?） 當(dāng)電池組電壓過(guò)低或電池組溫度異常時(shí)，軟件系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警指示， 并且強(qiáng)制關(guān)閉UPS 系統(tǒng)，確保系統(tǒng)安全。

　　2.2 主控芯片的初始化

　　C8051F320 每個(gè)引腳都可以被配置為模擬輸入或數(shù)字I/O 引腳， 被選擇作為數(shù)字I/O 的引腳還可以被配置為推挽或漏極開(kāi)路輸出。此外數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到端口I/O 引腳。

　　用戶(hù)可以通過(guò)配置端口跳過(guò)寄存器（PnSKIP）、端口交叉開(kāi)關(guān)寄存器（XBR0, XBR1）等寄存器來(lái)根據(jù)設(shè)計(jì)要求自由分配數(shù)字資源的功能引腳。

　　為了簡(jiǎn)化硬件電路，主控芯片采用內(nèi)部振蕩器作為時(shí)鐘基準(zhǔn)。軟件初始化時(shí)則通過(guò)配置寄存器OSCICN 來(lái)選取內(nèi)部時(shí)鐘基準(zhǔn)。

　　2.3 中斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　由于市電檢測(cè)需要保證足夠的實(shí)時(shí)性，所以采用中斷方式來(lái)監(jiān)測(cè)市電掉電信號(hào)。軟件上采用PCA模塊的輸入捕捉功能來(lái)捕獲信號(hào)的變化，從而提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。PCA 模塊初始化程序如下：

　　void PCA_Init（void）

　　{

　　PCA0MD = 0x00;

　　PCA0CPM0 = 0x31;

　　PCA0CN = 0x40;

　　EIE1 = 0x10;

　　PCA0L = 0x00;

　　PCA0H = 0x00;

　　}

　　2.4 AD 轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)

　　C8051F320 的AD 轉(zhuǎn)換單元支持最多17 路模擬輸入，從功能上滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。其軟件分為初始化和測(cè)量?jī)刹糠?。初始化主要?fù)責(zé)選擇電壓基準(zhǔn)，配置ADC 模塊工作方式等，而測(cè)量部分程序則用來(lái)獲取UPS 工作時(shí)的電池組電壓、充電電流和電池組溫度并根據(jù)報(bào)警閾值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

　　由于A(yíng)D 轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)受到各種因素的干擾，因此程序中需要相應(yīng)的誤差補(bǔ)償來(lái)確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。這些誤差補(bǔ)償參數(shù)可以通過(guò)估算得到理論值，然后根據(jù)多次試驗(yàn)的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行修正得到合適的補(bǔ)償參數(shù)。