多功能直流UPS的設計

摘要：概述了UPS電源和鉛酸蓄電池的原理及性能，并結合實例論述了直流UPS電源的設計過程和設計依據，給出了設計結果，還附錄了性能實驗數據，具有工程實用價值。

關鍵詞：UPS蓄電池恒流恒壓充電DC/DC變換

1引言

由于計算機、程控交換機、數據通訊處理系統、航空管理和醫用診斷系統等精密儀器對供電系統的不間斷和可靠性的要求，使得UPS得到了廣泛的應用和迅速的發展。

使用UPS有利于改善用電質量，保護用電設備。對于通訊系統等直流用電負載而言，從供電的可靠性、安全性及運行效率考慮，直流UPS較之交流UPS具有更為突出的優點。

本文從UPS和鉛酸蓄電池的原理及性能入手，詳細論述了直流UPS的設計過程，著重闡明了恒流恒壓充電器的設計依據，并給出了一臺實用的直流UPS的設計結果。附錄的實驗數據證明該電源性能優良，性價比高，已具有工程實用價值。

2UPS概述

UPS是不間斷電源的簡稱。按其輸出電壓的波形可分為交流式(AC?UPS)和直流式(DC?UPS)。

2.1交流UPS

交流UPS按其逆變器的工作方式又分為在線式（Online）和后備式（Standby）兩種。其結構框圖如圖1所示。

在線式UPS的工作原理是：當電網Uin正常供電時，Uin?降壓整流?穩壓?逆變器?K2（K2閉合，K1斷開）?Uout,同時經充電器為電池組B充電；當電網輸入異常（失壓或超出正常范圍）時,K0斷開，由電池組B?導引二極管?逆變器?K2?Uout。控制開關K1只有在逆變器故障且電網供電正常時才閉合（K2斷開），僅僅起旁路作用。

后備式UPS的能流是：在電網供電正常時，Uin?K1（K2斷開）?Uout，同時Uin?降壓整流?充電器?電池組B（逆變器不工作）；當電網電壓異常時，其能流變為：電池組B?逆變器?K2（K1斷開）?Uout。

由能流可以看出：在線式UPS的逆變器始終處于在線工作狀態，而后備式UPS的逆變器僅僅是當電網電壓異常時才起動（后備工作狀態）。

無論是在線式還是后備式UPS，其輸出Uout都是交流電壓。

圖1交流UPS組成方框

表1充電上限電壓和充電電流

表3持續工作時間與允許的放電電流及有效容量

表2放電電流和放電下限電壓

注：各生產廠家數據有所不同，設計時以產品手冊的技術指標為準。

2.2直流UPS

和交流UPS一樣，直流UPS的關鍵是輸入電壓中斷后的續能問題，但DC?UPS是將變換后的直流電壓直接送給用電負載。實現DC?UPS最簡單的方法是電網電壓經過整流濾波穩壓后與蓄電池并聯。其結構如圖2所示。

在輸入正常時，電池處于浮充狀態（R為充電限流電阻）；當外電網斷電后，由電池經導流二極管向負載供電。

該方案對于直流負載的顯著優點是，不需要再二次逆變，效率高，可靠性強，成本低，并且蓄電池對負載的動態特性有改善作用。但不足之處是，當電池向負載供電時，電池電平不穩定——逐漸下降，往往需要二次穩壓。

3蓄電池的性能與使用

蓄電池是UPS的心臟，故了解蓄電池的性能及使用方法是設計UPS的基礎。

目前在UPS中廣泛采用的是密封免維護鉛酸蓄電池，性能較好的有美國的德克、GNB，德國的陽光，英國的霍克，日本的湯淺等品牌。

3.1蓄電池的充電

恒流充電防止了初始充電電流過大使電極發熱而可能引起的電池爆裂，并使充電時間大大縮短。當電池充滿后，仍繼續恒流充電將造成電池過充，導致電池過熱。所以當恒流充電充到限定電壓時自動切換為恒壓充電，就控制了這個過程，避免了電池的損壞。所以恒流恒壓充電對蓄電池是比較合適的。

若采用大電流快速充電，雖可以縮短充電時間，提高充電效率，但必須嚴格控制過充并解決去極化的問題，從而使充電電路變得復雜。

另外，溫度對充電也有影響，電池的充電上限電壓隨溫度的升高而降低，因此充電器的限制電壓應有負溫度補償。

表1給出了常規的密封鉛酸蓄電池的充電上限電壓和充電電流數據。

表中C為蓄電池的標稱容量，充電上限電壓為一個單體電池（2V）的數據。如標稱12V/7Ah的電池由6個單體組成，其充電上限電壓為2.275V×6=13.65V，恒流充電電流為0.1C=0.7A。

3.2蓄電池的放電

當電網斷電時，UPS中的蓄電池向負載放電。隨著能量的消耗，其端電壓也隨之而下降。

圖2直流UPS框圖

圖3DC?UPS總體方案框圖

蓄電池允許的放電下限電壓與電池的標稱容量及放電電流有關。表2給出了放電電流和放電下限電壓的關系。

電池的容量一定時，持續工作時間取決于放電電流，且電池能放出的有效容量也大大地依賴于放電電流——放電電流越大，有效容量越小，持續工作時間越短。表3給出了不同持續工作時間所允許的放電電流和對應的有效容量。

電池的有效容量還受放電期間溫度的影響，溫度越低，容量越小，特別是當環境溫度低于＋10℃時，表現更為明顯。

所以在選擇電池的標稱容量時，一定要考慮最大負載電流、環境溫度所對應的有效容量以及放電深度（放電量與總容量之比），以便計算有效維持時間，并設置合理的下限保護電壓。

3.3蓄電池的壽命

蓄電池使用壽命縮短的主要原因有以下幾個方面：

（1）放電深度和幅度大容量放電和大電流放電都會縮短蓄電池的使用壽命，所以在蓄電池放電時，一定要有放電深度限制（設置放電下限電壓控制），以防止電池過放電；

（2）充電容量和幅度太大的充電電流會產生大量的氣體，以致超過電池的吸收能力，導致電池內部壓力增大，使氣體甚至電解液從閥門逸出電池體外，造成電池失效。過充電會造成電池極板老化，縮短電池壽命，所以，為了保證蓄電池隨時處于100％滿容量，又延長使用壽命，恒流恒壓充電是最合適的；

（3）環境溫度溫度過高和過低都會降低電池的使用壽命。

4直流UPS的設計

DC?UPS的實現方案由于設計要求、設計思想、設計風格的不同而多種多樣。從可靠性、性價比等技術經濟的角度，我們制定如圖3所示方案。

4.1輸入融合

為了盡量減少蓄電池的起用時間，延長壽命，交流輸入端采用多路并聯輸入。這樣只要其中一路有電，系統就由電網供電，而不必起動備用電池。

分別將各路交流輸入整流變換為直流脈動電壓，再進行直流無擾切換，將多路輸入融合為一路輸出。直流切換的優點是：電路簡單，可靠性高，無觸點切換，對外圍電路輻射干擾小。多路融合還可以利用三相輸入電壓相位的不同，提高整流效率。

4.2直流變換

考慮到充放電控制及輸出電路對輸入電壓數值及穩定性的要求，先將整流濾波后的直流高壓進行一次變換是必要的，而且這對提高后級工作可靠性，延長使用壽命都有很大好處。

按圖2所示原理，DC?UPS只有一路輸出，而且其端電壓在輸入失電時隨電池能量的減小而降低。所以，為了滿足多路輸出及電壓穩定的要求，往往要在輸出級加上二次直流變換。當然，對于遠程負載或多用戶負載，先將單路輸出送至用戶端，再進行二次直流變換，不失為一種好方案，這樣可以減小串擾，提高供電質量。

至于DC/DC變換器，其電路形式和工作方式多種多樣，但由于其成熟的工業品已經較為普及，所以只需選訂相關的品牌及參數即可。目前質量較好的有：美國的VICOR、INTERPOINT，日本的COSEL、λ，法國的GAIA、ETRI，瑞典的ERICSSON等品牌。

4.3充放電控制

結合第2節、第3節中對UPS和蓄電池原理及性能的討論，我們采用恒流恒壓方式自動充電、二極管導引的充放電自動切換和放電下限電壓限制（自動切斷負載通路）。

圖4DC－UPS原理電路

二極管導引的充放電自動切換，雖然損失一定的電壓（二極管導通壓降，小于1.0V），但其優點是無觸點，響應速度快，可靠性高，且兼有反向極性保護功能。

如前所述，設置放電深度限制是必須的，由于放電容量及剩余容量不好測定，故在工程上常用電池的端電壓來粗略估計，即以放電時的端電壓來標明電池的剩余容量。所以設置放電下限電壓來限制放電的深度。

5設計實例

我們以某型通訊機電源為實例，來設計一臺實用的DC?UPS。

5.1技術指標

該機主要技術指標如下：

（1）輸入：每相AC220V±20％，三路輸入（三相星形接法）；

（2）輸出：DC＋5V/3A，DC±12V/1.5A，DC＋24V/1.0A，四路輸出；

（3）失電持續供電時間>1h；

（4）工作環境：戶外（工業品級）。

5.2原理電路

按圖3所示方案設計的原理電路如圖4所示。其主要設計依據如下:

（1）由于輸出級要求四路同時輸出，且電壓數值各異，因此末級必須加入DC/DC變換器。要求POmax=75W、四路輸出，所以選用INTERPOINT公司的（HR703?28512），因為＋24V支路可浮地輸出，故跨接在±12V支路上。取輸入電壓UIN=24V，即蓄電池電平為24V。由于充電器采用LM217恒流，要求輸入端電壓UImin≥（27.5＋1.25＋2.5）=31.25V。

其中：27.5V為蓄電池充電上限電壓

1.25V為LM217的基本壓差

2.5V為LM217的最小工作壓差

所以前級DC/DC變換器選用VICOR公司的(VI?J64?CW)，將其輸出電壓調至32V；

（2）由于POmax=75W，蓄電池端電壓為24V，則IOmax=3.125A。要求持續工作1h，即要求電池的有效容量C′>3.125Ah。根據表3數據，對于1h放電率，其有效容量C′=0.6C，所以電池標稱容量C≥3.125/0.6=5.2Ah。考慮溫度影響、后級效率、設計裕量及產品規格等因素，可選用Deka牌12V/7Ah電池兩塊（串聯）；

（3）充電控制電路采用了充放電控制專用芯片CC2024和三端穩壓集成塊，使得整個電路即簡單又可靠。

恒流電路由LM217構成（IC=0.7A）。由于三端集成穩壓器參數優良，過載能力強，而且具有全功能自保護（過流、過壓、過熱），由其構成恒流源電路，性能可靠，性價比高。

CC2024是為24V電池充放電控制設計的專用厚膜集成電路，其主要功能如下：

（1）充電上限電壓限制UOmax=27.5V（計算依據參見表1）；

（2）放電下限電壓限制UOmin=21.5V（計算依據參見表2）；

（3）蓄電池反極性報警當電池的極性接反時，

外接蜂鳴器報警；

（4）充電上限電壓溫度補償。

6實驗數據

為了驗證設計的正確性及電路的可行性，我們對按圖4組裝的40套DC?UPS進行了4套抽樣實驗。其在線工作性能如表4所示。

表4數據表明，該機電源調整率極低（因為采用兩級直流變換），負載調整率及溫度漂移均較小，全溫全載范圍起動性能良好，充電控制及溫度補償作用明顯，符合設計標準。

表4某型DC?UPS在線工作性能實驗數據

其離線（斷開電網輸入）工作性能實驗數據如表5所示。

表5離線工作性能實驗數據

×(－2.5A)設定；

＊＊注2?表中斷點電壓是指放電控制電路斷開負載時的

電池端電壓。

7結語

本文研究表明：

（1）恒流恒壓方式充電是保證蓄電池滿容量、延長使用壽命的最佳方案；

（2）多路輸入的直流無擾切換是提高系統可靠性和效率的首選方案；

（3）用LM317及CC2024實現充放電控制電路簡單、成本低、可靠性高。

參考文獻

1王其英主編.UPS電源原理剖析及應用.北京：科學出版社,1990

2張乃國主編．電源技術．北京：中國電力出版社，1998

3VICOR,INTERPOINT,ETRI,ERICSSON,Deka,SOLAR,AD,IR,TI等公司．DATABOOKS.