采用嵌入式微处理器实现在线式UPS电源的设计
作者：武振华，孙运强，姚爱琴
1 概 述
目前UPS主要发展方向有两个：一是新的功能不断加强，例如增加远程监视、自动诊断、识别、事件记录、故障警告等功能；二是自身效率的提高。采用高效率的IC芯片和新的制造工艺，使空载功耗不断地降低，功率密度进一步提高。紧凑密集的空间设计给小型电子设备的应用带来了新的解决方案。
将功能强大的嵌入式微处理器（本文选用LPC2214）系统引入UPS，可以增强UPS的功能，使其具有网络化、智能化的特性，满足许多无人职守基站的用电要求。用数字控制代替模拟控制，可以消除温漂、老化等模拟器件存在的问题；抗干扰能力强，有利于参数整定和调节；通用性强，便于通过改变程序软件方便地调整方案和实现多种新型控制策略；同时高度集成的数字电路可以减少元件数目，简化硬件结构，降低开发成本，并提高系统的可靠性。
2 系统硬件设计
无论市电正常与否，在线式UPS电源的逆变部分始终处于工作状态。逆变器提供稳压和调节功能，对电网供电起到“净化”作用，同时具有过载保护功能和较强的抗干扰能力，供电质量稳定可靠，在各种拓扑和配置结构的UPS类型中使用较为普遍。因此本文设计方案采用三阶转换的拓扑结构，即AC-DC-AC。
2．1 系统组成及工作原理
系统结构框图如图1所示。当市电正常时，市电输入UPS经滤波、PFC后，升压到400 V直流电；再经过逆变器逆变成220 V交流电，输向负载；同时400 V直流电经过Buck降压电路降压后给电池充电。当市电断电后，电池经Boost拓扑升压电路给总线供电，然后逆变成220 V交流电。LPC2214的A／D模块采集各个点的工作信息，主控芯片对数据进行分析，依据设定的参数进行判断，作出相应的变化，并将生成的相关记录信息存储到NANDFlash中。远程接口通过网络与上位机连接，用户可以在监控中心进行相关设定和远程控制。
2．2 ARM主控模块及驱动电路
LPC2214是支持实时仿真和跟踪的16／32位ARM7TDMI-S CPU微控制器。它带有256 KB的高速Flash存储器，128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最高时钟频率下运行；拥有丰富的外围接口，如A／D转换器、PWM单元、32位定时器、向量中断控制器、串口、I2C接口等，可以简化硬件电路的设计，诸如A／D采集、PWM调制电路等；内部时钟频率可达60 MHz，A／D转换时间低至2．44μs，完全可以满足日益提高的UPS工作频率和功能要求。PFC、DC／DC、DC／AC是系统中主要的能量转换部分。DC／DC部分包括Buck电池充电电路、Boost电池升压电路。所有的PWM控制由单一的LPC2214完成。
LPC2214有6路PWM输出，通过对功能寄存器的配置，可设定占空比的大小和定时频率的高低；实现6路单边沿控制或3路双边沿控制的PWM输出，或这两种类型的混合输出；具有双缓冲功能，满足系统设计要求。PWM1、PWIVE驱动PFC，PWM3驱动Buck电池充电电路，PWM4驱动Boost电池升压电路，PWM5、PwM6驱动逆变电路。由于LPC2214的I／O引脚输出能力微弱，需要驱动电路驱动MOSFET功率管。驱动电路采用间接式磁隔离电压型驱动电路。LPC2214驱动PN2222（Q1）。当输出高电平时，Q1导通，VCC电压加在TP1初级，次级获得感应电压，此时电压通过R1对VTP1栅极充电，使其导通。当LPC2214输出低电平时，Q1关断，变压器TP1初级线圈由于电感的作用继续阻碍电流的变化，产生感应电势，使Q1的集电压升高。D1、R2和C1组成吸收电路，将产生的感应电动势吸收消耗，避免电压升高击穿Q1。变压器的次级也产生感应电势，QP1导通，使VTP1的栅极存储电荷通过QP1释放，加速VTP1的关断。IGBT驱动电路如图2所示。
2．3 采样与A／D模块
采集电路采集输入电网的电压、输入电流、输出电压、输出电流、电池电压、充电电流、放电电流等。LPC2214根据采集到的数据进行运算，控制PWM的占空比变化，使其输出对应的方波。LPC2214的A／D模块是19位逐次逼近式模／数转换器，测量范围为0～3 V，一个或多个输入的Burst转换模式；基本时钟由VPB时钟模式，可编程分频器可将时钟调整至逐步逼近转换所需的4．5 MHz。电压信号采集分为交流电压取样和直流电压取样两种电路。交流电压的信号经电阻分压为-1．5～+1．5 V的信号。通过运算放大电路加负电压偏置，将采样信号平移到0～3 V的范围内，满足A／D的采集范围。直流电压信号（如400 V总线）和电池电压经分压电路降压后，直接进入A／D转换器的采集端。
电流信号同样分交流电流和直流电流，采用霍尔电流传感器LA58-P进行电流／电压转换。交流电流产生的电压信号降压后同样经负电压偏置后接入对应的A／D转换器采集端口。直流电流对应的电压信号采集经分压电阻降压后进入A／D采集端子。图3为交流电压、交流电流的采样偏置电路。其中，Vi是霍尔传感器产生的电压信号。
除上述介绍的采集信号外，还有电池温度、环境温度、相位检测等与UPS使用、管理、维护相关的信号参数。根据采集参数的不同，有各自应用的电路。
2．4 供电模块
LPC2214是双电源工作，分为CPU操作电压（1．8 V）和I／O操作电压（3．3 V），相应地需要两种电压的电源。本设计采用的低压差线性稳压器LDO为TI公司的TPS73xx系列稳压器，将5 V电压稳压成主控芯片的3．3 V和1．8 V。TPS73xx系列芯片是双路输出，输出电流可达250 mA，内部集成电压监控器监视器，噪声低，负载／线路瞬态响应优良。图4为双路LDO电源。5 V电源来自采用飞兆公司的FSDM0265设计的反激式开关电源。反激式开关电源设计输入电压为AC 85～265 V。当市电正常供电时，使用市电；当市电电网断电时，由电池的电压向反激式开关电源供电，生成电路中应用的低压直流电源。
2．5 工作存储模块
工作存储模块采用NAND Flash K9F2G16U0M。其内部采用非线性宏单元模式，固态大容量存储；容量为256 MB，采用页写模式；通过并行数据接口连接到数据总线，可以快速地进行存储或读取。
工作信息分为环境信息和系统信息。环境信息有电网电压、环境温度等；系统信息有输入电流、输入电压、输出电压、输出电流、充电电压、电池信息、断电次数、断电时间等。电池信息又分为电池温度、放电程度、放电电流、充电时间、电池电压等。为了数据移动方便，在总线上连接了USB模块。USB芯片选用Philips公司的高性能USB接口器件PDIUSBD12。用户可以通过网络监控将存储模块中的数据上传，或者用移动数据存储设备将数据拷贝。如图5所示，工作时将数据存储到K9F2G16U0M中。当检测到USB有外接时，将当前存储的数据打包，通过USB接口发送数据。
2．6 网络接口模块
UPS系统在向网络化、智能化发展，所以在主控模块电路中设计了网络接口，如图6所示。
网络接口模块采用CP2200芯片。CP2200是Silicon Labs公司推出的独立以太网控制器。符合。IEEE802．3协议，内置10 Mbps以太物理层器件PHY及媒介接入控制器MAC，具有可编程填充和CRC自动生成功能；具备可编程滤波功能和特殊的过滤器，可自动评价，接收或拒收Magic Packet、单播、多播等信息包；支持Intel和Mo-torola两种总线方式；具有8 KBFlash存储器，可对其灵活编程。远程接口不仅可以向用户提供远程监控等服务，同时也可以通过网络接口将系统软件升级。图6中，FC-518LS隔离器将网络与主控芯片电气隔离，保护系统不受网络中的杂波信号干扰，提高系统的稳定性。
3 结 论
基于LPC2214的数字化UPS，简化了电路的硬件设计，降低了硬件成本，提高了UPS的可靠性，扩大了升级空间和产品的多样性。通过搭建实验性电路与程序的结合，验证了设计的正确性，为后续研究提供了一定的实验基础。
