一種小型UPS電源的嵌入式設(shè)計

引言

　　該類小型智能化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(nèi)所進行的相關(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)換過程中的能量損耗。在系統(tǒng)設(shè)計上采用了嵌入式設(shè)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

　　如圖1 所示，根據(jù)項目需要，設(shè)計以110 V/50Hz 的交流電為市電輸入，通過開關(guān)電源模塊將110V 交流電轉(zhuǎn)換成12 V 的直流電。同時該模塊內(nèi)置市電檢測模塊，用來產(chǎn)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(guān)電源AC-DC 轉(zhuǎn)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。

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(chǎn)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(guān)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(qū)動下，主控芯片的對應(yīng)引腳直接被接地置低；當市電掉電時，光耦斷開，對應(yīng)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(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)計采用電源選擇芯片LTC4416 實現(xiàn)內(nèi)部電源選擇。電路如圖2 所示，開關(guān)電源輸出為主電源，鋰電池組為從電源。其工作方式為：當市電供電時，LTC4416 通過E1 引腳判定主電源供電正常； 當開關(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，LTC4416 判定主電源供電故障， 選擇鋰電池組對系統(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、放電結(jié)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(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(zhuǎn)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(zhuǎn)換得到電壓差值，進而推導(dǎo)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(guān)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(zāi)難的及時恢復(fù)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(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，利用軟件控制相應(yīng)模塊來實現(xiàn)。如圖4 所示，軟件系統(tǒng)的主要功能為：

圖4 軟件功能說明圖

　?。?） 當市電正常供電時， 軟件系統(tǒng)通過獲取電池組信息來判斷是否對電池組充電，并監(jiān)控電池組電壓和溫度，確保UPS 電源的正常工作。

　?。?） 當市電對電池組充電時， 中斷系統(tǒng)實時監(jiān)測充電電流，出現(xiàn)異常時發(fā)出報警并停止充電以保護電池組。

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

　?。?） 當UPS 電源工作在電池組供電模式時，中斷系統(tǒng)實時監(jiān)控放電結(jié)束信號和電池組電壓，當電池組電能耗盡時，停止電池組供電。

　?。?） 當電池組電壓過低或電池組溫度異常時，軟件系統(tǒng)發(fā)出報警指示， 并且強制關(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路輸出。此外數(shù)字交叉開關(guān)允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到端口I/O 引腳。

　　用戶可以通過配置端口跳過寄存器（PnSKIP）、端口交叉開關(guān)寄存器（XBR0, XBR1）等寄存器來根據(jù)設(shè)計要求自由分配數(shù)字資源的功能引腳。

　　為了簡化硬件電路，主控芯片采用內(nèi)部振蕩器作為時鐘基準。軟件初始化時則通過配置寄存器OSCICN 來選取內(nèi)部時鐘基準。

　　2.3 中斷系統(tǒng)設(shè)計

　　由于市電檢測需要保證足夠的實時性，所以采用中斷方式來監(jiān)測市電掉電信號。軟件上采用PCA模塊的輸入捕捉功能來捕獲信號的變化，從而提升系統(tǒng)的動態(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

　　C8051F320 的AD 轉(zhuǎn)換單元支持最多17 路模擬輸入，從功能上滿足了設(shè)計要求。其軟件分為初始化和測量兩部分。初始化主要負責選擇電壓基準，配置ADC 模塊工作方式等，而測量部分程序則用來獲取UPS 工作時的電池組電壓、充電電流和電池組溫度并根據(jù)報警閾值對系統(tǒng)進行保護。

　　由于AD 轉(zhuǎn)換過程中會受到各種因素的干擾，因此程序中需要相應(yīng)的誤差補償來確保數(shù)據(jù)的準確性。這些誤差補償參數(shù)可以通過估算得到理論值，然后根據(jù)多次試驗的實際數(shù)據(jù)進行修正得到合適的補償參數(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、放電結(jié)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(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(zhuǎn)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(zhuǎn)換得到電壓差值，進而推導(dǎo)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(guān)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(zāi)難的及時恢復(fù)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(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，利用軟件控制相應(yīng)模塊來實現(xiàn)。如圖4 所示，軟件系統(tǒng)的主要功能為：

圖4 軟件功能說明圖

　?。?） 當市電正常供電時， 軟件系統(tǒng)通過獲取電池組信息來判斷是否對電池組充電，并監(jiān)控電池組電壓和溫度，確保UPS 電源的正常工作。

　?。?） 當市電對電池組充電時， 中斷系統(tǒng)實時監(jiān)測充電電流，出現(xiàn)異常時發(fā)出報警并停止充電以保護電池組。

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

　?。?） 當UPS 電源工作在電池組供電模式時，中斷系統(tǒng)實時監(jiān)控放電結(jié)束信號和電池組電壓，當電池組電能耗盡時，停止電池組供電。

　?。?） 當電池組電壓過低或電池組溫度異常時，軟件系統(tǒng)發(fā)出報警指示， 并且強制關(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路輸出。此外數(shù)字交叉開關(guān)允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到端口I/O 引腳。

　　用戶可以通過配置端口跳過寄存器（PnSKIP）、端口交叉開關(guān)寄存器（XBR0, XBR1）等寄存器來根據(jù)設(shè)計要求自由分配數(shù)字資源的功能引腳。

　　為了簡化硬件電路，主控芯片采用內(nèi)部振蕩器作為時鐘基準。軟件初始化時則通過配置寄存器OSCICN 來選取內(nèi)部時鐘基準。

　　2.3 中斷系統(tǒng)設(shè)計

　　由于市電檢測需要保證足夠的實時性，所以采用中斷方式來監(jiān)測市電掉電信號。軟件上采用PCA模塊的輸入捕捉功能來捕獲信號的變化，從而提升系統(tǒng)的動態(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

　　C8051F320 的AD 轉(zhuǎn)換單元支持最多17 路模擬輸入，從功能上滿足了設(shè)計要求。其軟件分為初始化和測量兩部分。初始化主要負責選擇電壓基準，配置ADC 模塊工作方式等，而測量部分程序則用來獲取UPS 工作時的電池組電壓、充電電流和電池組溫度并根據(jù)報警閾值對系統(tǒng)進行保護。

　　由于AD 轉(zhuǎn)換過程中會受到各種因素的干擾，因此程序中需要相應(yīng)的誤差補償來確保數(shù)據(jù)的準確性。這些誤差補償參數(shù)可以通過估算得到理論值，然后根據(jù)多次試驗的實際數(shù)據(jù)進行修正得到合適的補償參數(shù)。