1引言

由于計(jì)算機(jī)、程控交換機(jī)、數(shù)據(jù)通訊處理系統(tǒng)、航空管理和醫(yī)用診斷系統(tǒng)等精密儀器對(duì)供電系統(tǒng)的不間斷和可靠性的要求，使得UPS得到了廣泛的應(yīng)用和迅速的發(fā)展。

使用UPS有利于改善用電質(zhì)量，保護(hù)用電設(shè)備。對(duì)于通訊系統(tǒng)等直流用電負(fù)載而言，從供電的可靠性、安全性及運(yùn)行效率考慮，直流UPS較之交流UPS具有更為突出的優(yōu)點(diǎn)。

本文從UPS和鉛酸蓄電池的原理及性能入手，詳細(xì)論述了直流UPS的設(shè)計(jì)過程，著重闡明了恒流恒壓充電器的設(shè)計(jì)依據(jù)，并給出了一臺(tái)實(shí)用的直流UPS的設(shè)計(jì)結(jié)果。附錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明該電源性能優(yōu)良，性價(jià)比高，已具有工程實(shí)用價(jià)值。

2UPS概述

UPS是不間斷電源的簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在線式UPS的工作原理是：當(dāng)電網(wǎng)Uin正常供電時(shí)，Uin降壓整流穩(wěn)壓逆變器K2（K2閉合，K1斷開）Uout,同時(shí)經(jīng)充電器為電池組B充電；當(dāng)電網(wǎng)輸入異常（失壓或超出正常范圍）時(shí),K0斷開，由電池組B導(dǎo)引二極管逆變器K2Uout?？刂崎_關(guān)K1只有在逆變器故障且電網(wǎng)供電正常時(shí)才閉合（K2斷開），僅僅起旁路作用。

后備式UPS的能流是：在電網(wǎng)供電正常時(shí)，UinK1（K2斷開）Uout，同時(shí)Uin降壓整流充電器電池組B（逆變器不工作）；當(dāng)電網(wǎng)電壓異常時(shí)，其能流變?yōu)椋弘姵亟MB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(tài)，而后備式UPS的逆變器僅僅是當(dāng)電網(wǎng)電壓異常時(shí)才起動(dòng)（后備工作狀態(tài)）。

無(wú)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(xù)工作時(shí)間與允許的放電電流及有效容量

表3持續(xù)工作時(shí)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(chǎn)廠家數(shù)據(jù)有所不同，設(shè)計(jì)時(shí)以產(chǎn)品手冊(cè)的技術(shù)指標(biāo)為準(zhǔn)。

2.2直流UPS

和交流UPS一樣，直流UPS的關(guān)鍵是輸入電壓中斷后的續(xù)能問題，但DCUPS是將變換后的直流電壓直接送給用電負(fù)載。實(shí)現(xiàn)DCUPS最簡(jiǎn)單的方法是電網(wǎng)電壓經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓后與蓄電池并聯(lián)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在輸入正常時(shí)，電池處于浮充狀態(tài)（R為充電限流電阻）；當(dāng)外電網(wǎng)斷電后，由電池經(jīng)導(dǎo)流二極管向負(fù)載供電。

該方案對(duì)于直流負(fù)載的顯著優(yōu)點(diǎn)是，不需要再二次逆變，效率高，可靠性強(qiáng)，成本低，并且蓄電池對(duì)負(fù)載的動(dòng)態(tài)特性有改善作用。但不足之處是，當(dāng)電池向負(fù)載供電時(shí)，電池電平不穩(wěn)定——逐漸下降，往往需要二次穩(wěn)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(shè)計(jì)UPS的基礎(chǔ)。

目前在UPS中廣泛采用的是密封免維護(hù)鉛酸蓄電池，性能較好的有美國(guó)的德克、GNB，德國(guó)的陽(yáng)光，英國(guó)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(fā)熱而可能引起的電池爆裂，并使充電時(shí)間大大縮短。當(dāng)電池充滿后，仍繼續(xù)恒流充電將造成電池過充，導(dǎo)致電池過熱。所以當(dāng)恒流充電充到限定電壓時(shí)自動(dòng)切換為恒壓充電，就控制了這個(gè)過程，避免了電池的損壞。所以恒流恒壓充電對(duì)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(shí)間，提高充電效率，但必須嚴(yán)格控制過充并解決去極化的問題，從而使充電電路變得復(fù)雜。

另外，溫度對(duì)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(yīng)有負(fù)溫度補(bǔ)償。

表1給出了常規(guī)的密封鉛酸蓄電池的充電上限電壓和充電電流數(shù)據(jù)。

表中C為蓄電池的標(biāo)稱容量，充電上限電壓為一個(gè)單體電池（2V）的數(shù)據(jù)。如標(biāo)稱12V/7Ah的電池由6個(gè)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(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，UPS中的蓄電池向負(fù)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(biāo)稱容量及放電電流有關(guān)。表2給出了放電電流和放電下限電壓的關(guān)系。

電池的容量一定時(shí)，持續(xù)工作時(shí)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(xù)工作時(shí)間越短。表3給出了不同持續(xù)工作時(shí)間所允許的放電電流和對(duì)應(yīng)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(dāng)環(huán)境溫度低于＋10℃時(shí)，表現(xiàn)更為明顯。

所以在選擇電池的標(biāo)稱容量時(shí)，一定要考慮最大負(fù)載電流、環(huán)境溫度所對(duì)應(yīng)的有效容量以及放電深度（放電量與總?cè)萘恐龋员阌?jì)算有效維持時(shí)間，并設(shè)置合理的下限保護(hù)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(gè)方面：

（1）放電深度和幅度大容量放電和大電流放電都會(huì)縮短蓄電池的使用壽命，所以在蓄電池放電時(shí)，一定要有放電深度限制（設(shè)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(huì)產(chǎn)生大量的氣體，以致超過電池的吸收能力，導(dǎo)致電池內(nèi)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(huì)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(shí)處于100％滿容量，又延長(zhǎng)使用壽命，恒流恒壓充電是最合適的；

（3）環(huán)境溫度溫度過高和過低都會(huì)降低電池的使用壽命。

4直流UPS的設(shè)計(jì)

DCUPS的實(shí)現(xiàn)方案由于設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)風(fēng)格的不同而多種多樣。從可靠性、性價(jià)比等技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(shí)間，延長(zhǎng)壽命，交流輸入端采用多路并聯(lián)輸入。這樣只要其中一路有電，系統(tǒng)就由電網(wǎng)供電，而不必起動(dòng)備用電池。

分別將各路交流輸入整流變換為直流脈動(dòng)電壓，再進(jìn)行直流無(wú)擾切換，將多路輸入融合為一路輸出。直流切換的優(yōu)點(diǎn)是：電路簡(jiǎn)單，可靠性高，無(wú)觸點(diǎn)切換，對(duì)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(duì)輸入電壓數(shù)值及穩(wěn)定性的要求，先將整流濾波后的直流高壓進(jìn)行一次變換是必要的，而且這對(duì)提高后級(jí)工作可靠性，延長(zhǎng)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(shí)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(wěn)定的要求，往往要在輸出級(jí)加上二次直流變換。當(dāng)然，對(duì)于遠(yuǎn)程負(fù)載或多用戶負(fù)載，先將單路輸出送至用戶端，再進(jìn)行二次直流變換，不失為一種好方案，這樣可以減小串?dāng)_，提高供電質(zhì)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(yè)品已經(jīng)較為普及，所以只需選訂相關(guān)的品牌及參數(shù)即可。目前質(zhì)量較好的有：美國(guó)的VICOR、INTERPOINT，日本的COSEL、λ，法國(guó)的GAIA、ETRI，瑞典的ERICSSON等品牌。

4.3充放電控制

結(jié)合第2節(jié)、第3節(jié)中對(duì)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(dòng)充電、二極管導(dǎo)引的充放電自動(dòng)切換和放電下限電壓限制（自動(dòng)切斷負(fù)載通路）。

圖4DC－UPS原理電路

二極管導(dǎo)引的充放電自動(dòng)切換，雖然損失一定的電壓（二極管導(dǎo)通壓降，小于1.0V），但其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)觸點(diǎn)，響應(yīng)速度快，可靠性高，且兼有反向極性保護(hù)功能。

如前所述，設(shè)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(cè)定，故在工程上常用電池的端電壓來粗略估計(jì)，即以放電時(shí)的端電壓來標(biāo)明電池的剩余容量。所以設(shè)置放電下限電壓來限制放電的深度。

5設(shè)計(jì)實(shí)例

我們以某型通訊機(jī)電源為實(shí)例，來設(shè)計(jì)一臺(tái)實(shí)用的DCUPS。

5.1技術(shù)指標(biāo)

該機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)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(xù)供電時(shí)間>1h；

（4）工作環(huán)境：戶外（工業(yè)品級(jí)）。

5.2原理電路

按圖3所示方案設(shè)計(jì)的原理電路如圖4所示。其主要設(shè)計(jì)依據(jù)如下:

（1）由于輸出級(jí)要求四路同時(shí)輸出，且電壓數(shù)值各異，因此末級(jí)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?yàn)椋?4V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L(zhǎng)M217的基本壓差

2.5V為L(zhǎng)M217的最小工作壓差

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

（2）由于POmax=75W，蓄電池端電壓為24V，則IOmax=3.125A。要求持續(xù)工作1h，即要求電池的有效容量C′>3.125Ah。根據(jù)表3數(shù)據(jù)，對(duì)于1h放電率，其有效容量C′=0.6C，所以電池標(biāo)稱容量C≥3.125/0.6=5.2Ah。考慮溫度影響、后級(jí)效率、設(shè)計(jì)裕量及產(chǎn)品規(guī)格等因素，可選用Deka牌12V/7Ah電池兩塊（串聯(lián)）；

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

恒流電路由LM217構(gòu)成（IC=0.7A）。由于三端集成穩(wěn)壓器參數(shù)優(yōu)良，過載能力強(qiáng)，而且具有全功能自保護(hù)（過流、過壓、過熱），由其構(gòu)成恒流源電路，性能可靠，性價(jià)比高。

CC2024是為24V電池充放電控制設(shè)計(jì)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(jì)算依據(jù)參見表1）；

（2）放電下限電壓限制UOmin=21.5V（計(jì)算依據(jù)參見表2）；

（3）蓄電池反極性報(bào)警當(dāng)電池的極性接反時(shí)，

外接蜂鳴器報(bào)警；

（4）充電上限電壓溫度補(bǔ)償。

6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性及電路的可行性，我們對(duì)按圖4組裝的40套DCUPS進(jìn)行了4套抽樣實(shí)驗(yàn)。其在線工作性能如表4所示。

表4數(shù)據(jù)表明，該機(jī)電源調(diào)整率極低（因?yàn)椴捎脙杉?jí)直流變換），負(fù)載調(diào)整率及溫度漂移均較小，全溫全載范圍起動(dòng)性能良好，充電控制及溫度補(bǔ)償作用明顯，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

表4某型DCUPS在線工作性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

其離線（斷開電網(wǎng)輸入）工作性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5離線工作性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

＊注1表中額定負(fù)載是由5V×3A＋12V×2.5A＋(－12V)

×(－2.5A)設(shè)定；

＊＊注2表中斷點(diǎn)電壓是指放電控制電路斷開負(fù)載時(shí)的

電池端電壓。

7結(jié)語(yǔ)

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(zhǎng)使用壽命的最佳方案；

（2）多路輸入的直流無(wú)擾切換是提高系統(tǒng)可靠性和效率的首選方案；

（3）用LM317及CC2024實(shí)現(xiàn)充放電控制電路簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高。