如何通过控制相应的DC-DC 模块控制小型UPS 电源

引言

该类小型智能化UPS 电源主要应用在通信行业、医疗设备和移动机器人等低电压场合，具备运行可靠、噪音小、能耗低等特点。目前国外多所高校和公司在针对该类UPS 进行研究和试制，并且在小型交流UPS 电源上取得了一些进展。但是国内所进行的相关研究尚处于起步阶段。

不同于多数交流输出的UPS 电源，本文提出的小型UPS 电源是通过控制相应的DC-DC 模块直接获得直流输出，避免了转换过程中的能量损耗。在系统设计上采用了嵌入式设计思想，将主控芯片与外围功能电路融合在同一块电路板中，软硬件协同工作以实现UPS 的智能化管理并大大减小系统的体积。

1 硬件系统

1.1 系统概述

根据项目需要，设计以110 V/50Hz 的交流电为市电输入，通过开关电源模块将110V 交流电转换成12 V 的直流电。同时该模块内置市电检测模块，用来产生市电掉电信号，并将信号传送给主控芯片。市电经过开关电源AC-DC 转换后得到12 V 直流输出并通过LTC4256 热插拔保护模块供给负载。同时该直流输出经过LTC1512 充电模块稳流后对锂电池组进行充电。当系统工作在电池组供电模式时，锂电池组通过LTC3780 放电模块为负载提供12 V 直流供电。

1.2 主控芯片

为了提高系统的集成度，设计采用内部集成AD 转换功能单元的C8051F320 作为主控芯片。该芯片内含两个外部中断源(INT0,INT1)以及一个可编程计数器阵列(Programmable Counter Array,PCA)， 可以同时监测多路I/O 信号及产生方波控制信号。

主控芯片通过不断读取锂电池组电压、温度、充电电流以获知系统当前的运行状况。当捕捉到市电掉电信号时，主控芯片迅速给LTC3780 发出工作信号(高电平)，并给LTC1512 发出关闭信号(低电平)，从而实现对负载的不间断供电;当捕捉到市电来电信号时，主控芯片给出相反的逻辑电平，切换为市电供电状态。

1.3 市电检测模块

为了实现对主控芯片及其他外围芯片的隔离保护，市电检测模块通过PC817 型光耦将市电掉电信号接入主控芯片：当市电正常供电时，在光敏二极管的驱动下，主控芯片的对应引脚直接被接地置低;当市电掉电时，光耦断开，对应引脚被3.3 V 电源置高。主控芯片通过中断程序监测该引脚上逻辑电平的变化得到市电供电的状态从而控制UPS 电源工作在相应状态。

1.4 电源管理模块

电源管理模块由电源选择单元和稳压芯片组构成。设计采用电源选择芯片LTC4416 实现内部电源选择。开关电源输出为主电源，锂电池组为从电源。其工作方式为：当市电供电时，LTC4416 通过E1 引脚判定主电源供电正常; 当开关电源输出电压低于Vf a iLTC4416 判定主电源供电故障， 选择锂电池组对系统内部供电。电源选择电路不仅保证了系统内部正常供电，也增加了电池组的工作时间。稳压芯片组将选择后的电源分别稳压为5 V 和3.3 V,并提供给相应的模块，

1.5 后备锂电池组

该UPS 电源采用14.4 V,3.3 Ah 可充电锂电池组作为后备电池组，其最大充电电压为17.4 V.电池组内部集成了控制芯片，供电后，控制芯片能产生充电完成信号、放电结束信号以及电池组温度。

1.6 充电模块及放电模块

以LTC1512 为核心的充电模块，通过电压及电流反馈调节等方式将12 V 直流输入转换为16.8 V的恒流输出向电池组充电。当电池组供电时，以LTC3780 为核心的放电模块将电池组输出稳压为12 V 提供给负载。

为了实现对UPS 的智能化管理，系统需要对电池组电压和充电电流进行监测。电池组电压的测量方法为：将电压分压、滤波后送入主控芯片的AD 转换单元，处理得到当前电压值。充电电流则通过将采样电阻两端的电压分别送入ADC 单元转换得到电压差值，进而推导出电流值。

1.7 热插拔模块

热插拔保护即带电插拔保护，允许用户在不关闭系统、不切断电源的情况下取出和更换硬盘、电源或板卡等部件。该UPS 电源优点之一是集成以LTC4256 为核心的热插拔保护模块，从而提高系统对灾难的及时恢复能力、扩展性和灵活性等。此外LTC4256 还能起到抑制输出纹波、提高电能质量的作用。

开关电源是现代电子设备中常用的电源供应方式之一，它具有高效率、小体积、稳定性好等优点，在各种电子产品中得到广泛应用。然而，对于初学者来说，设计和调试开关电源可能是一个具有挑战性的任务。本文将从零开始，一步步为大家介绍如何设计和调试开关电源。

理解开关电源的基本原理

在设计开关电源之前，首先要理解开关电源的基本原理。开关电源通过开关管的开关动作来调节输入电源，从而输出所需的电压和电流。其基本组成包括输入滤波电路、整流电路、变换电路、输出滤波电路等。对于初学者来说，建议先通过学习相关的理论知识，对开关电源的工作原理有一个清晰的认识。

选择合适的器件和元件

在设计开关电源时，选择合适的器件和元件是至关重要的。例如，选择合适的开关管、变压器、电容器和电感器等元件，以确保电源的性能和稳定性。此外，还需要根据设计需求选择合适的控制电路和保护电路，以提高电源的可靠性和安全性。

在选择好器件和元件后，可以开始进行电路设计和仿真分析。利用电路设计软件，绘制出开关电源的原理图，并进行仿真分析，验证电路的性能和稳定性。通过仿真分析，可以及时发现和解决电路中存在的问题，提高设计的效率和准确性。

PCB设计和布局布线

完成电路设计和仿真分析后，接下来是进行PCB设计和布局布线。合理的PCB布局和布线可以有效地减小电路的电磁干扰和噪声，提高电路的抗干扰能力和稳定性。因此，在进行PCB设计时，需要注意布局布线的规范和技巧，确保电路的性能和可靠性。

进行实验验证和调试优化

完成PCB设计和布局布线后，接下来是进行实验验证和调试优化。将设计好的PCB板进行加工制作，并进行实验验证，检查电路的工作状态和性能参数。在实验验证过程中，可能会出现一些问题，需要及时进行调试优化，找出并解决问题，确保电路的正常工作。

总结和分享经验

最后，完成开关电源的设计和调试后，可以对整个过程进行总结和分享经验。总结经验可以帮助我们更好地理解和掌握开关电源的设计和调试技巧，为以后的设计工作提供参考和借鉴。同时，也可以通过分享经验，与其他人交流和学习，共同进步。

通过以上六个步骤，我们可以逐步学习和掌握开关电源的设计和调试技巧，从而设计出性能稳定、可靠性高的开关电源。虽然设计和调试开关电源可能会遇到一些挑战，但只要有耐心和勇气，相信每个人都可以完成这个任务。希望本文能够帮助到大家，祝愿大家在开关电源的设计和调试过程中取得成功!