從硬件和軟件入手的UPS抗干擾技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益普及和全球信息網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，對(duì)高質(zhì)量供電設(shè)備的需求越來(lái)越大，不間斷電源（UPS）正是為了滿足這種情況而發(fā)展起來(lái)的電力電子設(shè)備。UPS在保證不問(wèn)斷供電的同時(shí)，還能提供穩(wěn)壓、穩(wěn)頻和波形失真度小的高質(zhì)量正弦波電源，目前在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、郵電通信、銀行證券、電力系統(tǒng)、工業(yè)控制、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。微機(jī)控制的不間斷電源具有兩大優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)化硬件電路，降低成本；軟件設(shè)計(jì)靈活，功能容易擴(kuò)展，可方便的對(duì)軟件進(jìn)行修改完成不同的控制思想。

微機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于不間斷電源，主要體現(xiàn)在單片機(jī)系統(tǒng)上，單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)逆變器的開(kāi)關(guān)。而單片機(jī)抗干擾的能力不夠強(qiáng)，如果抗干擾的措施不當(dāng)，不但無(wú)法體現(xiàn)上述優(yōu)點(diǎn)，還有可能降低系統(tǒng)的可靠性，甚至無(wú)法工作。

本文結(jié)合UPS的工作原理，從干擾的類(lèi)型及采取相應(yīng)的措施來(lái)說(shuō)明抗干擾技術(shù)在UPS中的應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)框圖及工作原理

1．1 結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)工作方式，UPS分為后備式和在線式兩大類(lèi)。

UPS的基本結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖l、圖2所示，它由充電電路、蓄電池、升壓電路、逆變電路，切換開(kāi)關(guān)、自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)等部分組成。

1．2 基本工作原理

后備式UPS：當(dāng)市電在規(guī)定電壓范圍內(nèi)正常供電時(shí)，輸入電壓經(jīng)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)稍許濾波，排除一些干擾后，直接輸出供給負(fù)載。而當(dāng)市電異常，超出規(guī)定范圍時(shí)，UPS啟動(dòng)逆變器，將后備的電池電壓變換成等價(jià)于正常市電時(shí)的電壓值再輸出給負(fù)載，其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。此種UPS的優(yōu)點(diǎn)是可靠性較高，結(jié)構(gòu)相對(duì)較簡(jiǎn)單，效率較高，價(jià)格也便宜。但由于經(jīng)逆變后大都是方波或類(lèi)方波波形，故供電質(zhì)量稍差，加之市電異常時(shí)需啟動(dòng)逆變器由電池供電，有一定的切換時(shí)間。

在線式UPS：又稱(chēng)為雙變換式UPS，即從市電輸入到UPS輸出經(jīng)過(guò)了AC／DC和DC／AC兩次變換，其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。在市電正常情況下，UPS輸入電壓經(jīng)整流、濾波等電路變成直流電壓，然后經(jīng)逆變器將直流電壓變成負(fù)載需要的交流電壓。當(dāng)市電異常時(shí)，輸入自動(dòng)切換到蓄電池上，由蓄電池供電，經(jīng)逆變器后輸出交流電壓給負(fù)載。此種UPS顯然在電路上比后備式UPS要復(fù)雜得多，由于采用二次變換，大大改善了負(fù)載的供電質(zhì)量。但其逆變器一直處于工作狀態(tài)，對(duì)逆變器的可靠性和使用壽命提出了較高的要求，由此而產(chǎn)生在線式UPS比后備式UPS價(jià)格高很多。

2 干擾的類(lèi)型與來(lái)源

單片機(jī)控制的UPS系統(tǒng)中的干擾，一般指各種外部和內(nèi)部的干擾源產(chǎn)生的各種瞬變電信號(hào)，通過(guò)一定的途徑傳入到系統(tǒng)中，或者內(nèi)部的互相干擾，對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成一定程度的影響。它的干擾主要有以下幾個(gè)方面：

2．1 來(lái)自電網(wǎng)的干擾

UPS作為一種經(jīng)過(guò)凈化處理，向負(fù)載提供高質(zhì)量的電源系統(tǒng)，它的輸入是諧波復(fù)雜的工頻電源。電網(wǎng)中存在大量的諧波源如各種整流設(shè)備，電子電壓調(diào)整設(shè)備，非線性負(fù)載及照明負(fù)載。

2．2 交變磁場(chǎng)的干擾

在大功率變壓器及大電流通過(guò)的電線的周?chē)加休^強(qiáng)的交變磁場(chǎng)。

在UPS內(nèi)部，交變磁場(chǎng)主要有：

（1）逆變器產(chǎn)生的電磁干擾

工作時(shí)，逆變器的功率管始終處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，為了降低其上的功率損耗，開(kāi)關(guān)過(guò)渡時(shí)間不能太長(zhǎng)，即di／dt不能太小，否則開(kāi)關(guān)過(guò)熱容易燒毀。但過(guò)大容易引起電路產(chǎn)生寄生振蕩，產(chǎn)生的噪音干擾比如諧波電流、高頻毛刺對(duì)設(shè)備不利。

（2）高頻變壓器產(chǎn)生的干擾

高頻變壓器存在漏感，在開(kāi)關(guān)管由導(dǎo)通剛剛變?yōu)榻刂習(xí)r，變壓器原邊漏感和引線電感上貯存的能量無(wú)處釋放，將會(huì)給開(kāi)關(guān)管等效的輸出電容充電，由于這個(gè)等效電容很小，所以會(huì)沖得比較高的電壓尖峰。

此類(lèi)干擾對(duì)控制系統(tǒng)的破壞性最強(qiáng)。

2．3 不等電位干擾

在工業(yè)生產(chǎn)中的用電設(shè)備，如果絕緣性能不良，會(huì)對(duì)地產(chǎn)生不穩(wěn)定的漏電流；利用大地作為輸電線的電氣接地線，也會(huì)產(chǎn)生較大的地電流。如果在控制系統(tǒng)設(shè)備接地安裝中，地點(diǎn)選擇不當(dāng)，漏電流或地電流會(huì)使系統(tǒng)中的各點(diǎn)存在電位差，使系統(tǒng)常常產(chǎn)生不確定的故障。

2．4 自然干擾

自然干擾是指大氣層發(fā)生的自然現(xiàn)象所引起的干擾，以及來(lái)自宇宙的電磁波輻射干擾，如雷電、大氣低層電場(chǎng)的變化、電離層變化及太陽(yáng)黑子的電磁波輻射等，其中雷電干擾最為嚴(yán)重。雷電不僅會(huì)造成回路的強(qiáng)干擾，還會(huì)燒毀輸入模塊。

2．5 溫度、濕度及腐蝕性介質(zhì)對(duì)可靠性的影響

不同檔次的元器件都有其特定的工作溫度范圍，使用時(shí)應(yīng)以各廠家的資料為準(zhǔn)，根據(jù)情況選用高一檔次的產(chǎn)品。

環(huán)境潮濕或含有腐蝕性氣體，會(huì)對(duì)元器件及線路板造成較大影響。如果系統(tǒng)長(zhǎng)期工作在這種環(huán)境中，會(huì)使印制電路板腐蝕，造成斷路，使接插件和IC插座氧化、銹蝕，造成接觸不良，影響系統(tǒng)的可靠性；因此，應(yīng)盡量保持環(huán)境干燥，并盡量少用接插件及IC插座，采用直接焊接的方法互連；各種連接器應(yīng)采用鍍金或其他防腐處理的接插件。

3 系統(tǒng)的抗干擾措施

為了提高UPS的抗干擾能力，主要從兩個(gè)方面入手，即從硬件和軟件分別考慮：既要去除或者降低干擾源的干擾能力，又要提高系統(tǒng)本身的抗干擾能力。

3．1 硬件抗干擾

（1）交流進(jìn)線濾波器

為了滿足有關(guān)的電磁干擾（EMI）標(biāo)準(zhǔn)，防止UPS產(chǎn)生的噪音進(jìn)入電網(wǎng)，或者防止電網(wǎng)的噪聲進(jìn)入U(xiǎn)PS電源內(nèi)部，干擾系統(tǒng)的正常工作，必須在不間斷電源的輸入端施加EMI濾波器。該濾波器能同時(shí)抑制共模和差模干擾信號(hào)。

（2）啟動(dòng)浪涌電流抑制電路

開(kāi)啟電源時(shí)，由于UPS的整流電路會(huì)給濾波電容充電，會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電流，其大小取決于啟動(dòng)時(shí)的交流電壓的相位和輸入濾波器的阻抗。抑制啟動(dòng)浪涌電流的最簡(jiǎn)單的方法是在整流橋的直流側(cè)和濾波電容之間串聯(lián)具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。啟動(dòng)時(shí)電阻處于冷態(tài)，呈現(xiàn)較大的的電阻，從而抑制啟動(dòng)電流。啟動(dòng)后，電阻溫度升高，阻值降低，以保證電源有較高的效率。對(duì)于大功率的電路，將上述熱敏電阻換成普通電阻，同時(shí)在電阻兩端并聯(lián)晶閘管開(kāi)關(guān)，電源啟動(dòng)時(shí)晶閘管開(kāi)關(guān)關(guān)斷，由電阻限制啟動(dòng)浪涌電流，當(dāng)濾波電容的充電完成后，觸發(fā)晶閘管，使之導(dǎo)通，達(dá)到短路限流電阻的目的。

（3）有源功率因數(shù)校正技術(shù)

抑制諧波的傳統(tǒng)方法是采用無(wú)源校正技術(shù)，但無(wú)源校正目前一般用于抑制高次諧波，如需進(jìn)一步抑制裝置的低次諧波，提高裝置的功率因數(shù)，目前大多采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)。有源功率因數(shù)校正技術(shù)就是在傳統(tǒng)的整流電路中加入有源開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制有源開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)強(qiáng)迫輸入電流跟隨輸入電壓的變化，從而獲得接近正弦波的輸入電流和接近1的功率因數(shù)。

（4）采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

電力電子開(kāi)關(guān)在其端電壓不為零時(shí)開(kāi)通和在其電流不為零時(shí)關(guān)斷統(tǒng)稱(chēng)為硬開(kāi)關(guān)。硬開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)器件會(huì)承受大功率，發(fā)熱嚴(yán)重，降低器件壽命，并且產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。如果采取一些措施，改變電路結(jié)構(gòu)和控制策略，使開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)通和零電流關(guān)斷，即采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以大幅度提高UPS性能。

（5）正確、良好的接地

電源線及接地線的粗細(xì)對(duì)系統(tǒng)的可靠性有很大的影響。如果地線太細(xì)，將不能為系統(tǒng)提供足夠的電流，電源線、地線的電阻也會(huì)增大，電流流過(guò)電源線，在電源線上形成較大的壓降，影響正常工作。

電源線、地線應(yīng)盡可能短。如果線過(guò)長(zhǎng)，電流流過(guò)時(shí)產(chǎn)生壓降，外部的干擾信號(hào)可能耦合到電源線上，避免與大電流的控制信號(hào)近距離、平行的走線，以免產(chǎn)生很大的干擾。

（6）模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)的好處在于：

減少各部分之間的相互關(guān)聯(lián)與耦合，避免或減輕彼此間的相互干擾；

便于故障定位，便于快速修復(fù)，提高系統(tǒng)的可靠性。

（7）隔離與緩沖

輸入輸出通道是外部干擾信號(hào)傳入系統(tǒng)的一種途徑。對(duì)交流信號(hào)可采取變壓器隔離；對(duì)直流信號(hào)采用光電耦合器件進(jìn)行隔離。使外部的輸入輸出通道與控制部件在電氣連接上相互隔離，阻斷外部干擾信號(hào)進(jìn)入控制系統(tǒng)。

（8）器件的優(yōu)化

由于UPS一般為連續(xù)工作狀態(tài)，因此要反復(fù)篩選對(duì)比，杜絕因?yàn)槠骷旧韺?dǎo)致系統(tǒng)失敗。

（9）印制電路板的抗干擾

印制板應(yīng)遵循大面積接地、分級(jí)屏蔽、大信號(hào)、高阻抗電路走短線等原則。

3．2 軟件抗干擾

按來(lái)源不同，軟件干擾類(lèi)型主要分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是輸入輸出通道受到干擾，使系統(tǒng)不能準(zhǔn)確控制；另一類(lèi)是程序在執(zhí)行過(guò)程中，程序受到干擾而跑飛。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)采用：

（1）系統(tǒng)上電自診斷

在系統(tǒng)冷啟動(dòng)時(shí)，首先進(jìn)行CPU、RAM等自檢。如果發(fā)現(xiàn)異常，則報(bào)告錯(cuò)誤并等待修復(fù)，避免帶病工作。

自檢一般有以下方法：

上電自檢；定時(shí)自檢；鍵控自檢。

（2）使用監(jiān)控定時(shí)器即看門(mén)狗技術(shù)

監(jiān)控定時(shí)器是當(dāng)系統(tǒng)軟件受到干擾時(shí)偏離了預(yù)定的路徑運(yùn)行的監(jiān)控電路使系統(tǒng)復(fù)位。大多數(shù)單片機(jī)系統(tǒng)都設(shè)置監(jiān)控定時(shí)器電路。

（3）設(shè)置軟件陷阱

在程序區(qū)的斷層，以NOP指令填空，以保證因干擾而造成彈飛的程序盡快步入正常運(yùn)行軌道。用一條強(qiáng)跳轉(zhuǎn)引導(dǎo)指令強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個(gè)指定地址。在它前面還加2條NOP指令。

（4）在所有未使用的中斷入口，均以RETI指令填充。

4 結(jié)論

不間斷電源是強(qiáng)電信號(hào)與弱電信號(hào)交叉的系統(tǒng)，存在著各種各樣的干擾。如果系統(tǒng)沒(méi)有足夠強(qiáng)的抗干擾能力，即使總體設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)都合理也不能完全保證系統(tǒng)很好的工作。實(shí)際系統(tǒng)干擾復(fù)雜，需要在實(shí)踐中不斷積累經(jīng)驗(yàn)。只有這樣，才能設(shè)計(jì)更佳的電路。