UPS不間斷電源設(shè)計(jì)方案

縱觀近20年，全球共有數(shù)十起因停電而造成的重大事故。每次事故發(fā)生，都會(huì)嚴(yán)重影響到當(dāng)?shù)氐木用裆钏?。為了減輕因停電帶來的極端影響，UPS電源的需求逐年提高。

為什么我們需要UPS

UPS全名叫不間斷電源，顧名思義他是獨(dú)立于有線電源外的補(bǔ)給電源，是將鉛酸電池與UPS主機(jī)連接，通過主機(jī)逆變器等模塊電路將直流電轉(zhuǎn)換成市電的系統(tǒng)設(shè)備。它主要用于當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障停電時(shí)給重要高端設(shè)備、精密儀器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等提供穩(wěn)定、不間斷的電力供應(yīng)，使得重要的工作能夠正常進(jìn)行下去，避免因停電造成重大事故和損失。

如何設(shè)計(jì)強(qiáng)大的UPS電源

設(shè)計(jì)UPS之前需要了解UPS的工作原理。當(dāng)市電正常時(shí)，UPS電源將市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用，此時(shí)的UPS就是一臺(tái)交流市電穩(wěn)壓器，同時(shí)它還向機(jī)內(nèi)電池充電；當(dāng)市電斷掉時(shí)，UPS電源立即將機(jī)內(nèi)電池的電能，通過逆變轉(zhuǎn)換的方法向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)交流電。這里芝子整理了一份UPS標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)框圖，如下所示：

圖1 UPS標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)框圖

例如風(fēng)能、太陽能產(chǎn)生的電能通過電源調(diào)節(jié)器后作為有線電源輸入U(xiǎn)PS系統(tǒng)中，此時(shí)DC-DC轉(zhuǎn)換裝置將電能降壓儲(chǔ)存在電池當(dāng)中，此時(shí)電池處于正向充電狀態(tài)。一旦連接UPS的外界電源無法供給，UPS將會(huì)再次利用DC-DC轉(zhuǎn)換裝置將儲(chǔ)能電池電源升壓輸出，此時(shí)電池處于逆向放電狀態(tài)。值得一提的是在DC-DC裝置中采用了東芝研發(fā)的DTMOS系列的增強(qiáng)型MOSFET，如TO-220SIS封裝的TK25A60X，TK16A60W5等，TOLL封裝的TK110U65Z和TK190U65Z等。提升了RDS(on)×Qgd性能，同時(shí)具備二極管反向恢復(fù)特性。

圖2 UPS內(nèi)部DC-DC轉(zhuǎn)換原理圖

如上圖所示，電池的存放電在USB塊保護(hù)電路、RS-232塊保護(hù)電路、顯示器塊保護(hù)電路，DC-DC-MCU信號(hào)傳輸電路共同協(xié)作下完成，這使得電源交互形成一個(gè)良好的閉環(huán)。

通過DC總線的直流電壓能夠很順利在DC-AC逆變裝置中被轉(zhuǎn)換輸出穩(wěn)定的交流電，從而滿足交流用電器的日常電能開銷。

圖3 UPS內(nèi)部DC-AC轉(zhuǎn)換原理圖

為了更好的使得電路功率因素得到提高，進(jìn)一步減少電流和電壓之間的相位差造成的交換功率損失（無功功率損失），UPS系統(tǒng)中還額外增加了功率因素校正電路PFC，從而提升電力利用率。

圖4 UPS內(nèi)部PFC電路原理圖

在東芝UPS系統(tǒng)方案中，采用了自研的ESD功能TVS管,包括封裝為SL2的DF2B6M4SL／DF2B20M4SL、CST2的DF2B5PC／DF2B7PCT，CST2C的DF2S14P2CTC從而防止電路故障，保護(hù)設(shè)備；同時(shí)為了更好的保護(hù)電路系統(tǒng)，加入了自研的光耦合器，具有高抗干擾能力，超高壓隔離，耐受高溫性能，包含封裝為SOL16L的TLP5214／TLP5231以及封裝為SO6L的TLP5754／TLP2761／TLP2768A進(jìn)行選型構(gòu)建。在UPS的控制系統(tǒng)中嵌入了一顆以Cortex-M3為核心，工作頻率高達(dá)80MHz，具備3相PWM輸出和以太網(wǎng)功能的微控制器TMPM369FDFG／TMPM369FDXBG，以低功耗實(shí)現(xiàn)逆變控制和內(nèi)部系統(tǒng)通信。使得整個(gè)UPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了完整的通信控制機(jī)制。同時(shí)考慮到MCU的工作環(huán)境，為了準(zhǔn)確的傳遞控制信號(hào)到DC-DC裝置中，在其中間還額外增加了帶隔離屬性的放大器TLP7820，支持電壓5V供電電壓，在共模態(tài)模式下提供至少CMTI＝15kV/μs瞬變消除。

如何快速實(shí)現(xiàn)方案落地

東芝半導(dǎo)體提供完善的UPS設(shè)計(jì)構(gòu)造解決方案，小至器件選型、模塊整合，大到系統(tǒng)架構(gòu)、產(chǎn)品落地，東芝半導(dǎo)體都將為客戶提供一站式服務(wù)。更多關(guān)于器件選型和器件性能評(píng)估、以及整體設(shè)計(jì)理念敬請(qǐng)?jiān)L問東芝半導(dǎo)體官方網(wǎng)站，來沉浸式體驗(yàn)UPS的設(shè)計(jì)之路。

審核編輯：湯梓紅