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采用嵌入式微處理器實現在線式UPS電源的設計

關鍵詞:嵌入式微處理器 在線式UPS電源

時間:2021-11-09 16:25:29      來源:網絡

基于LPC2214的數字化UPS,簡化了電路的硬件設計,降低了硬件成本,提高了UPS的可靠性,擴大了升級空間和產品的多樣性。通過搭建實驗性電路與程序的結合,驗證了設計的正確性,為后續研究提供了一定的實驗基礎。

作者:武振華,孫運強,姚愛琴

1 概 述

目前UPS主要發展方向有兩個:一是新的功能不斷加強,例如增加遠程監視、自動診斷、識別、事件記錄、故障警告等功能;二是自身效率的提高。采用高效率的IC芯片和新的制造工藝,使空載功耗不斷地降低,功率密度進一步提高。緊湊密集的空間設計給小型電子設備的應用帶來了新的解決方案。

將功能強大的嵌入式微處理器(本文選用LPC2214)系統引入UPS,可以增強UPS的功能,使其具有網絡化、智能化的特性,滿足許多無人職守基站的用電要求。用數字控制代替模擬控制,可以消除溫漂、老化等模擬器件存在的問題;抗干擾能力強,有利于參數整定和調節;通用性強,便于通過改變程序軟件方便地調整方案和實現多種新型控制策略;同時高度集成的數字電路可以減少元件數目,簡化硬件結構,降低開發成本,并提高系統的可靠性。

2 系統硬件設計

無論市電正常與否,在線式UPS電源的逆變部分始終處于工作狀態。逆變器提供穩壓和調節功能,對電網供電起到“凈化”作用,同時具有過載保護功能和較強的抗干擾能力,供電質量穩定可靠,在各種拓撲和配置結構的UPS類型中使用較為普遍。因此本文設計方案采用三階轉換的拓撲結構,即AC-DC-AC。

2.1 系統組成及工作原理

系統結構框圖如圖1所示。當市電正常時,市電輸入UPS經濾波、PFC后,升壓到400 V直流電;再經過逆變器逆變成220 V交流電,輸向負載;同時400 V直流電經過Buck降壓電路降壓后給電池充電。當市電斷電后,電池經Boost拓撲升壓電路給總線供電,然后逆變成220 V交流電。LPC2214的A/D模塊采集各個點的工作信息,主控芯片對數據進行分析,依據設定的參數進行判斷,作出相應的變化,并將生成的相關記錄信息存儲到NANDFlash中。遠程接口通過網絡與上位機連接,用戶可以在監控中心進行相關設定和遠程控制。

2.2 ARM主控模塊及驅動電路

LPC2214是支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU微控制器。它帶有256 KB的高速Flash存儲器,128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最高時鐘頻率下運行;擁有豐富的外圍接口,如A/D轉換器、PWM單元、32位定時器、向量中斷控制器、串口、I2C接口等,可以簡化硬件電路的設計,諸如A/D采集、PWM調制電路等;內部時鐘頻率可達60 MHz,A/D轉換時間低至2.44μs,完全可以滿足日益提高的UPS工作頻率和功能要求。PFC、DC/DC、DC/AC是系統中主要的能量轉換部分。DC/DC部分包括Buck電池充電電路、Boost電池升壓電路。所有的PWM控制由單一的LPC2214完成。

LPC2214有6路PWM輸出,通過對功能寄存器的配置,可設定占空比的大小和定時頻率的高低;實現6路單邊沿控制或3路雙邊沿控制的PWM輸出,或這兩種類型的混合輸出;具有雙緩沖功能,滿足系統設計要求。PWM1、PWIVE驅動PFC,PWM3驅動Buck電池充電電路,PWM4驅動Boost電池升壓電路,PWM5、PwM6驅動逆變電路。由于LPC2214的I/O引腳輸出能力微弱,需要驅動電路驅動MOSFET功率管。驅動電路采用間接式磁隔離電壓型驅動電路。LPC2214驅動PN2222(Q1)。當輸出高電平時,Q1導通,VCC電壓加在TP1初級,次級獲得感應電壓,此時電壓通過R1對VTP1柵極充電,使其導通。當LPC2214輸出低電平時,Q1關斷,變壓器TP1初級線圈由于電感的作用繼續阻礙電流的變化,產生感應電勢,使Q1的集電壓升高。D1、R2和C1組成吸收電路,將產生的感應電動勢吸收消耗,避免電壓升高擊穿Q1。變壓器的次級也產生感應電勢,QP1導通,使VTP1的柵極存儲電荷通過QP1釋放,加速VTP1的關斷。IGBT驅動電路如圖2所示。

2.3 采樣與A/D模塊

采集電路采集輸入電網的電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流、電池電壓、充電電流、放電電流等。LPC2214根據采集到的數據進行運算,控制PWM的占空比變化,使其輸出對應的方波。LPC2214的A/D模塊是19位逐次逼近式模/數轉換器,測量范圍為0~3 V,一個或多個輸入的Burst轉換模式;基本時鐘由VPB時鐘模式,可編程分頻器可將時鐘調整至逐步逼近轉換所需的4.5 MHz。電壓信號采集分為交流電壓取樣和直流電壓取樣兩種電路。交流電壓的信號經電阻分壓為-1.5~+1.5 V的信號。通過運算放大電路加負電壓偏置,將采樣信號平移到0~3 V的范圍內,滿足A/D的采集范圍。直流電壓信號(如400 V總線)和電池電壓經分壓電路降壓后,直接進入A/D轉換器的采集端。

電流信號同樣分交流電流和直流電流,采用霍爾電流傳感器LA58-P進行電流/電壓轉換。交流電流產生的電壓信號降壓后同樣經負電壓偏置后接入對應的A/D轉換器采集端口。直流電流對應的電壓信號采集經分壓電阻降壓后進入A/D采集端子。圖3為交流電壓、交流電流的采樣偏置電路。其中,Vi是霍爾傳感器產生的電壓信號。

除上述介紹的采集信號外,還有電池溫度、環境溫度、相位檢測等與UPS使用、管理、維護相關的信號參數。根據采集參數的不同,有各自應用的電路。

2.4 供電模塊

LPC2214是雙電源工作,分為CPU操作電壓(1.8 V)和I/O操作電壓(3.3 V),相應地需要兩種電壓的電源。本設計采用的低壓差線性穩壓器LDO為TI公司的TPS73xx系列穩壓器,將5 V電壓穩壓成主控芯片的3.3 V和1.8 V。TPS73xx系列芯片是雙路輸出,輸出電流可達250 mA,內部集成電壓監控器監視器,噪聲低,負載/線路瞬態響應優良。圖4為雙路LDO電源。5 V電源來自采用飛兆公司的FSDM0265設計的反激式開關電源。反激式開關電源設計輸入電壓為AC 85~265 V。當市電正常供電時,使用市電;當市電電網斷電時,由電池的電壓向反激式開關電源供電,生成電路中應用的低壓直流電源。

2.5 工作存儲模塊

工作存儲模塊采用NAND Flash K9F2G16U0M。其內部采用非線性宏單元模式,固態大容量存儲;容量為256 MB,采用頁寫模式;通過并行數據接口連接到數據總線,可以快速地進行存儲或讀取。

工作信息分為環境信息和系統信息。環境信息有電網電壓、環境溫度等;系統信息有輸入電流、輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、充電電壓、電池信息、斷電次數、斷電時間等。電池信息又分為電池溫度、放電程度、放電電流、充電時間、電池電壓等。為了數據移動方便,在總線上連接了USB模塊。USB芯片選用Philips公司的高性能USB接口器件PDIUSBD12。用戶可以通過網絡監控將存儲模塊中的數據上傳,或者用移動數據存儲設備將數據拷貝。如圖5所示,工作時將數據存儲到K9F2G16U0M中。當檢測到USB有外接時,將當前存儲的數據打包,通過USB接口發送數據。

2.6 網絡接口模塊

UPS系統在向網絡化、智能化發展,所以在主控模塊電路中設計了網絡接口,如圖6所示。

網絡接口模塊采用CP2200芯片。CP2200是Silicon Labs公司推出的獨立以太網控制器。符合。IEEE802.3協議,內置10 Mbps以太物理層器件PHY及媒介接入控制器MAC,具有可編程填充和CRC自動生成功能;具備可編程濾波功能和特殊的過濾器,可自動評價,接收或拒收Magic Packet、單播、多播等信息包;支持Intel和Mo-torola兩種總線方式;具有8 KBFlash存儲器,可對其靈活編程。遠程接口不僅可以向用戶提供遠程監控等服務,同時也可以通過網絡接口將系統軟件升級。圖6中,FC-518LS隔離器將網絡與主控芯片電氣隔離,保護系統不受網絡中的雜波信號干擾,提高系統的穩定性。

3 結 論

基于LPC2214的數字化UPS,簡化了電路的硬件設計,降低了硬件成本,提高了UPS的可靠性,擴大了升級空間和產品的多樣性。通過搭建實驗性電路與程序的結合,驗證了設計的正確性,為后續研究提供了一定的實驗基礎。

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