【導讀】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，都會嚴重影響到當?shù)氐木用裆钏健榱藴p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，顧名思義他是獨立于有線電源外的補給電源，是將鉛酸電池與UPS主機連接，通過主機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。它主要用于當電網(wǎng)出現(xiàn)故障停電時給重要高端設(shè)備、精密儀器、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等提供穩(wěn)定、不間斷的電力供應，使得重要的工作能夠正常進行下去，避免因停電造成重大事故和損失。
如何設(shè)計強大的UPS電源
設(shè)計UPS之前需要了解UPS的工作原理。當市電正常時，UPS電源將市電穩(wěn)壓后供應給負載使用，此時的UPS就是一臺交流市電穩(wěn)壓器，同時它還向機內(nèi)電池充電；當市電斷掉時，UPS電源立即將機內(nèi)電池的電能，通過逆變轉(zhuǎn)換的方法向負載繼續(xù)供應交流電。這里芝子整理了一份UPS標準的系統(tǒng)框圖，如下所示：
圖1 UPS標準的系統(tǒng)框圖
例如風能、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UPS系統(tǒng)中，此時DC-DC轉(zhuǎn)換裝置將電能降壓儲存在電池當中，此時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將會再次利用DC-DC轉(zhuǎn)換裝置將儲能電池電源升壓輸出，此時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，同時具備二極管反向恢復特性。
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塊保護電路、RS-232塊保護電路、顯示器塊保護電路，DC-DC-MCU信號傳輸電路共同協(xié)作下完成，這使得電源交互形成一個良好的閉環(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，保護設(shè)備；同時為了更好的保護電路系統(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，以低功耗實現(xiàn)逆變控制和內(nèi)部系統(tǒng)通信。使得整個UPS系統(tǒng)實現(xiàn)了完整的通信控制機制。同時考慮到MCU的工作環(huán)境，為了準確的傳遞控制信號到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。
如何快速實現(xiàn)方案落地
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