在數(shù)字化控制UPS中檢測(cè)電池電壓的方法是什么？

1. 引言

隨著用電設(shè)備對(duì)電源系統(tǒng)可靠性要求的進(jìn)一步提高，能夠獲得持續(xù)、穩(wěn)定的純凈電源的UPS得到了越來越廣泛的使用。在線式UPS工作原理圖如圖1（a）所示，當(dāng)市電供電正常時(shí)，市電一方面經(jīng)充電器給蓄電池充電，另一方面經(jīng)整流器變成直流后送至變壓器，經(jīng)逆變器變換成高質(zhì)量的交流電供給負(fù)載;當(dāng)無市電或市電供電異常時(shí)，由蓄電池通過逆變器向負(fù)載提供電能，保證負(fù)載供電不間斷，此時(shí)UPS電源將完全依靠?jī)?chǔ)存在蓄電池中的能量來維持其逆變器的正常工作。因此，正確、及時(shí)地檢測(cè)出蓄電池的電壓狀態(tài)就成了UPS系統(tǒng)可靠運(yùn)行的一個(gè)必不可少的組成部分。

數(shù)字化控制技術(shù)在UPS中的應(yīng)用日益廣泛。在DSP控制的UPS中，為了提高系統(tǒng)可靠性，控制電路和包括蓄電池在內(nèi)的主功率電路必須是隔離的，如圖1（b）所示，因此DSP必須對(duì)電池電壓進(jìn)行隔離采樣。隔離可以在數(shù)字量或模擬量端口實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)框圖分別如圖2（a）和圖2（b）所示。

圖1 在線式UPS的原理框圖　（a）結(jié)構(gòu)框圖?。╞）電氣隔離原理框圖

2.電池電壓的檢測(cè)方法

2.1 數(shù)字量隔離

參考圖2（a），先將電池電壓經(jīng)摸數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)隔離后再送入DSP。這種方案中，被隔離的是只具有高低電平的數(shù)字信號(hào)，一般的高速光電耦合器即可滿足要求。但是由于ADC與DSP相連的每根信號(hào)線都需加以隔離，并行ADC雖然可以獲得較快的傳輸速度，但并行輸出的特點(diǎn)決定了其隔離電路的復(fù)雜性，從系統(tǒng)的簡(jiǎn)單性考慮，宜選用串行ADC來實(shí)現(xiàn)。

該方案的電路實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖3所示，檢測(cè)回路主要由串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC， 高速光耦和TMS320F240的同步通信接口SPI口組成，通過A/D轉(zhuǎn)換，模擬輸入量電池電壓被轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)以適應(yīng)DSP的同步通信接口SPI的傳輸要求。電池電壓的采樣是用MAXIM公司生產(chǎn)的串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX189實(shí)現(xiàn)的，MAX189是+5V、低功耗的12位串行ADC，電池電壓E經(jīng)分壓后送入MA189的模擬電壓輸入引腳AIN，在SPI口的同步時(shí)鐘控制下被轉(zhuǎn)化成串行數(shù)據(jù)輸出，DSP通過讀取SPISOMI寄存器即得到采樣電壓的值。

圖4（a）為MAX189的工作時(shí)序，CS為高電平時(shí)，輸出引腳Dout為高阻狀態(tài)，CS引腳的下跳沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。應(yīng)用中將DSP的同步通信SPI口設(shè)置為主工作方式，SPISTE引腳設(shè)置為通用I/O口，將SPISTE引腳的信號(hào)線經(jīng)隔離后與MAX189的CS引腳相連，通過軟件中改變SPISTE的電平狀態(tài)來決定A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)或停止，從而控制采樣的具體時(shí)間。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，Dout從高阻態(tài)跳變?yōu)楦唠娖?，Dout的上升沿表明A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束，在此之后即可讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。因MAX189是12位的串行數(shù)據(jù)輸出，而TMS320F240的SPI通信口每次至多可以傳輸8個(gè)數(shù)據(jù)位，故一次采樣結(jié)果須分兩次進(jìn)行接收。

圖4　A/D和DSP的工作時(shí)序

（a）MAX189工作時(shí)序　 （b）SPI口的工作時(shí)

需要注意的是，TMS320F240的SPI通信口提供了四種工作時(shí)序［2］，如圖4（b）所示，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)根據(jù)MAX189的工作方式對(duì)SPI口的時(shí)序進(jìn)行適當(dāng)選擇。

2.2 模擬量隔離

參考圖2（b），該方案是在A/D轉(zhuǎn)換之前進(jìn)行隔離，即先將電池電壓分壓隔離后再送入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因?yàn)楸桓綦x的信號(hào)是模擬量，隔離前后的信號(hào)必須成線性關(guān)系，可以選用精度較高的線性光耦實(shí)現(xiàn)。此處采用HCNR200線性光耦。

HCNR200線性光耦合器是由一個(gè)紅外光LED照射分叉配置的一個(gè)隔離反饋二極管和一個(gè)輸出光二極管組成，如圖5（a）。LED的光通量決定流經(jīng)兩個(gè)二極管的電流的大小。由于HCNR200內(nèi)部特殊的制造工藝，在一定的輸入電流范圍里，它的電流傳輸比保持不變，輸出光二極管產(chǎn)生的電流信號(hào)與反饋光二極管產(chǎn)生的電流信號(hào)成線性比例關(guān)系。由圖5（b）：

（1）

（2）

式（1）、（2）中分別為隔離反饋二極管和輸出二極管的電流，為電池電壓經(jīng)分壓后的值，為輸出結(jié)果，送到TMS320F240的A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量以供CPU的處理。

根據(jù)式（1）、（2），輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系表達(dá)式如下：

（3）

式（3）中為電流傳輸比，HCNR200的K約為0.85—1.25

圖5（b）中Q1，R3，R4，R5，R6構(gòu)成了LED的驅(qū)動(dòng)回路，因Q1的放大作用，使得在輸入電壓較小的情況下，LED的電流不致于太小。該驅(qū)動(dòng)回路的加入提高了系統(tǒng)的增益，保證了低輸入電壓情況下光耦的線性度。

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1采用數(shù)字量隔離時(shí)

表1為采用TMS320F240的同步通信接口SPI進(jìn)行電池電壓采樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表中AIN為電池電壓分壓后的模擬值，Do為理論計(jì)算值，Ds為實(shí)際采樣值。表中Do由下列公式算得：

（4）

其中為基準(zhǔn)電壓，本實(shí)驗(yàn)中為5V;12為ADC的位數(shù)。采樣結(jié)果的精度與實(shí)驗(yàn)中ADC的轉(zhuǎn)換精度以及ADC所用的基準(zhǔn)的精度有關(guān)，在使用中應(yīng)盡量運(yùn)用精度較高的基準(zhǔn)。

3.2采用模擬量隔離時(shí)

根據(jù)圖5（b）所示的檢測(cè)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輸入電壓與輸出電壓呈現(xiàn)很好的比例關(guān)系。由式（3）可知，輸出與輸入的比值大小與電阻及傳輸比K有關(guān)，但對(duì)于不同的芯片，傳輸比K值有所不同，實(shí)驗(yàn)中將電阻以一個(gè)略小于的電阻和一個(gè)可調(diào)電阻串聯(lián)組成，使用前預(yù)先調(diào)節(jié)使其滿足以下關(guān)系：

（6）

則式（3）可轉(zhuǎn)化為：（7）

表2為采用該校正方法后的檢測(cè)結(jié)果，其中，為滿刻度為的電位器。AIN為電池電壓分壓后的值，Vout為光耦隔離后的實(shí)驗(yàn)值，Do為DSP采樣的理論計(jì)算值，Ds為實(shí)際采樣值。

表1　數(shù)字量隔離的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2　模擬量隔離的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.結(jié)論

比較采用數(shù)字量和模擬量隔離的兩種蓄電池采樣方法，數(shù)字隔離方式略優(yōu)。MAX189的外圍器件很少，具有硬件實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但要占據(jù)DSP的SPI通信接口，因此在同步通信接口空閑的情況下是一個(gè)很好的選擇。

運(yùn)用線性光耦檢測(cè)電池電壓的方法不需要占用DSP的通信接口，無須外加模數(shù)轉(zhuǎn)換器（可運(yùn)用DSP內(nèi)含的10位ADC），但線性光耦的增益需要電位器調(diào)節(jié)，且必須使用兩片運(yùn)放以及一些外圍器件，硬件電路稍復(fù)雜些。