多功能直流UPS的设计

多功能直流UPS的设计

摘要：概述了UPS电源和铅酸蓄电池的原理及性能，并结合实例论述了直流UPS电源的设计过程和设计依据，给出了设计结果，还附录了性能实验数据，具有工程实用价值。

关键词：UPS蓄电池恒流恒压充电DC/DC变换

1引言

由于计算机、程控交换机、数据通讯处理系统、航空管理和医用诊断系统等精密仪器对供电系统的不间断和可靠性的要求，使得UPS得到了广泛的应用和迅速的发展。

使用UPS有利于改善用电质量，保护用电设备。对于通讯系统等直流用电负载而言，从供电的可靠性、安全性及运行效率考虑，直流UPS较之交流UPS具有更为突出的优点。

本文从UPS和铅酸蓄电池的原理及性能入手，详细论述了直流UPS的设计过程，着重阐明了恒流恒压充电器的设计依据，并给出了一台实用的直流UPS的设计结果。附录的实验数据证明该电源性能优良，性价比高，已具有工程实用价值。

2UPS概述

UPS是不间断电源的简称。按其输出电压的波形可分为交流式(AC?UPS)和直流式(DC?UPS)。

2.1交流UPS

交流UPS按其逆变器的工作方式又分为在线式（Online）和后备式（Standby）两种。其结构框图如图1所示。

在线式UPS的工作原理是：当电网Uin正常供电时，Uin?降压整流?稳压?逆变器?K2（K2闭合，K1断开）?Uout,同时经充电器为电池组B充电；当电网输入异常（失压或超出正常范围）时,K0断开，由电池组B?导引二极管?逆变器?K2?Uout。控制开关K1只有在逆变器故障且电网供电正常时才闭合（K2断开），仅仅起旁路作用。

后备式UPS的能流是：在电网供电正常时，Uin?K1（K2断开）?Uout，同时Uin?降压整流?充电器?电池组B（逆变器不工作）；当电网电压异常时，其能流变为：电池组B?逆变器?K2（K1断开）?Uout。

由能流可以看出：在线式UPS的逆变器始终处于在线工作状态，而后备式UPS的逆变器仅仅是当电网电压异常时才起动（后备工作状态）。

无论是在线式还是后备式UPS，其输出Uout都是交流电压。

图1交流UPS组成方框

表1充电上限电压和充电电流

需求工作时间（min) [td]6 [td]10 [td]20 [td]30 [td]60 [td]120 [td]180 [td]300 [td]600 [td]1200

放电电流（A） [td]0.8Ah～24Ah [td]3.50C [td]2.75C [td]1.67C [td]1.00C [td]0.60C [td]0.33C [td]0.27C [td]0.17C [td]0.09C [td]0.05C

30Ah～200Ah [td]2.70C [td]2.08C [td]1.32C [td]1.00C [td]0.65C [td]0.35C [td]0.28C [td]0.18C [td]0.10C [td]0.05C

有效容量（％） [td]0.8Ah～24Ah [td]35 [td]46 [td]56 [td]50 [td]60 [td]66 [td]81 [td]85 [td]93 [td]100

30Ah～200Ah [td]27 [td]35 [td]44 [td]50 [td]65 [td]70 [td]84 [td]90 [td]100 [td]108 表3持续工作时间与允许的放电电流及有效容量 [table]

放电电流I0（A） [td]<0.05C [td]0.05C～0.10C [td]0.10C～0.20C [td]0.20C～0.40C [td]0.40C～0.50C [td]0.50C～0.60C [td]0.60C～1.00C [td]>1.00C

下限电压（V） [td]0.8～24Ah [td]1.80 [td]1.75 [td]1.75 [td]1.75 [td]1.70 [td]1.60 [td]1.50 [td]1.30

30～200Ah [td]1.90 [td]1.80 [td]1.75 [td]1.70 [td]1.60 [td]1.60 [td]1.50 [td]1.50[/tr][/tr][/tr][/tr][/tr][/tr]

[td][/td]
  表2放电电流和放电下限电压

蓄电池的容量C [td]工作方式 [td]充电上限电压（V/cell) [td]最大充电电流（A） [td]常规充电电流（A）

工作温度(℃) [td]设置电压(V) [td]允许范围(V) [td]温度系数(mV/℃)

0.8Ah～24Ah [td]周期服务 [td]20 [td]2.45 [td]2.45～2.50 [td]－5.0 [td]0.3C [td]0.1C

后备 [td]20 [td]2.275 [td]2.25～2.30 [td]－3.3

30Ah～200Ah [td]周期服务 [td]25 [td]2.45 [td]2.45～2.50 [td]－5.0 [td]0.3C [td]0.1C

后备 [td]25 [td]2.25 [td]2.23～2.28 [td]－3.3[/tr][/tr][/tr][/tr][/tr][/tr]

[td][/td][td][/td][td][/td]
  注：各生产厂家数据有所不同，设计时以产品手册的技术指标为准。
  2.2直流UPS
  和交流UPS一样，直流UPS的关键是输入电压中断后的续能问题，但DC?UPS是将变换后的直流电压直接送给用电负载。实现DC?UPS最简单的方法是电网电压经过整流滤波稳压后与蓄电池并联。其结构如图2所示。
  在输入正常时，电池处于浮充状态（R为充电限流电阻）；当外电网断电后，由电池经导流二极管向负载供电。
  该方案对于直流负载的显着优点是，不需要再二次逆变，效率高，可靠性强，成本低，并且蓄电池对负载的动态特性有改善作用。但不足之处是，当电池向负载供电时，电池电平不稳定——逐渐下降，往往需要二次稳压。
  3蓄电池的性能与使用
  蓄电池是UPS的心脏，故了解蓄电池的性能及使用方法是设计UPS的基础。
  目前在UPS中广泛采用的是密封免维护铅酸蓄电池，性能较好的有美国的德克、GNB，德国的阳光，英国的霍克，日本的汤浅等品牌。
  3.1蓄电池的充电
  恒流充电防止了初始充电电流过大使电极发热而可能引起的电池爆裂，并使充电时间大大缩短。当电池充满后，仍继续恒流充电将造成电池过充，导致电池过热。所以当恒流充电充到限定电压时自动切换为恒压充电，就控制了这个过程，避免了电池的损坏。所以恒流恒压充电对蓄电池是比较合适的。
  若采用大电流快速充电，虽可以缩短充电时间，提高充电效率，但必须严格控制过充并解决去极化的问题，从而使充电电路变得复杂。
  另外，温度对充电也有影响，电池的充电上限电压随温度的升高而降低，因此充电器的限制电压应有负温度补偿。
  表1给出了常规的密封铅酸蓄电池的充电上限电压和充电电流数据。
  表中C为蓄电池的标称容量，充电上限电压为一个单体电池（2V）的数据。如标称12V/7Ah的电池由6个单体组成，其充电上限电压为2.275V×6=13.65V，恒流充电电流为0.1C=0.7A。
  3.2蓄电池的放电
  当电网断电时，UPS中的蓄电池向负载放电。随着能量的消耗，其端电压也随之而下降。
  
  图2直流UPS框图
  
  图3DC?UPS总体方案框图
  蓄电池允许的放电下限电压与电池的标称容量及放电电流有关。表2给出了放电电流和放电下限电压的关系。
  电池的容量一定时，持续工作时间取决于放电电流，且电池能放出的有效容量也大大地依赖于放电电流——放电电流越大，有效容量越小，持续工作时间越短。表3给出了不同持续工作时间所允许的放电电流和对应的有效容量。
  电池的有效容量还受放电期间温度的影响，温度越低，容量越小，特别是当环境温度低于＋10℃时，表现更为明显。
  所以在选择电池的标称容量时，一定要考虑最大负载电流、环境温度所对应的有效容量以及放电深度（放电量与总容量之比），以便计算有效维持时间，并设置合理的下限保护电压。
  3.3蓄电池的寿命
  蓄电池使用寿命缩短的主要原因有以下几个方面：
  （1）放电深度和幅度大容量放电和大电流放电都会缩短蓄电池的使用寿命，所以在蓄电池放电时，一定要有放电深度限制（设置放电下限电压控制），以防止电池过放电；
  （2）充电容量和幅度太大的充电电流会产生大量的气体，以致超过电池的吸收能力，导致电池内部压力增大，使气体甚至电解液从阀门逸出电池体外，造成电池失效。过充电会造成电池极板老化，缩短电池寿命，所以，为了保证蓄电池随时处于100％满容量，又延长使用寿命，恒流恒压充电是最合适的；
  （3）环境温度温度过高和过低都会降低电池的使用寿命。
  4直流UPS的设计
  DC?UPS的实现方案由于设计要求、设计思想、设计风格的不同而多种多样。从可靠性、性价比等技术经济的角度，我们制定如图3所示方案。
  4.1输入融合
  为了尽量减少蓄电池的起用时间，延长寿命，交流输入端采用多路并联输入。这样只要其中一路有电，系统就由电网供电，而不必起动备用电池。
  分别将各路交流输入整流变换为直流脉动电压，再进行直流无扰切换，将多路输入融合为一路输出。直流切换的优点是：电路简单，可靠性高，无触点切换，对外围电路辐射干扰小。多路融合还可以利用三相输入电压相位的不同，提高整流效率。
  4.2直流变换
  考虑到充放电控制及输出电路对输入电压数值及稳定性的要求，先将整流滤波后的直流高压进行一次变换是必要的，而且这对提高后级工作可靠性，延长使用寿命都有很大好处。
  按图2所示原理，DC?UPS只有一路输出，而且其端电压在输入失电时随电池能量的减小而降低。所以，为了满足多路输出及电压稳定的要求，往往要在输出级加上二次直流变换。当然，对于远程负载或多用户负载，先将单路输出送至用户端，再进行二次直流变换，不失为一种好方案，这样可以减小串扰，提高供电质量。
  至于DC/DC变换器，其电路形式和工作方式多种多样，但由于其成熟的工业品已经较为普及，所以只需选订相关的品牌及参数即可。目前质量较好的有：美国的VICOR、INTERPOINT，日本的COSEL、λ，法国的GAIA、ETRI，瑞典的ERICSSON等品牌。
  4.3充放电控制
  结合第2节、第3节中对UPS和蓄电池原理及性能的讨论，我们采用恒流恒压方式自动充电、二极管导引的充放电自动切换和放电下限电压限制（自动切断负载通路）。
  
  图4DC－UPS原理电路
  二极管导引的充放电自动切换，虽然损失一定的电压（二极管导通压降，小于1.0V），但其优点是无触点，响应速度快，可靠性高，且兼有反向极性保护功能。
  如前所述，设置放电深度限制是必须的，由于放电容量及剩余容量不好测定，故在工程上常用电池的端电压来粗略估计，即以放电时的端电压来标明电池的剩余容量。所以设置放电下限电压来限制放电的深度。
  5设计实例
  我们以某型通讯机电源为实例，来设计一台实用的DC?UPS。
  5.1技术指标
  该机主要技术指标如下：
  （1）输入：每相AC220V±20％，三路输入（三相星形接法）；
  （2）输出：DC＋5V/3A，DC±12V/1.5A，DC＋24V/1.0A，四路输出；
  （3）失电持续供电时间>1h；
  （4）工作环境：户外（工业品级）。
  5.2原理电路
  按图3所示方案设计的原理电路如图4所示。其主要设计依据如下:
  （1）由于输出级要求四路同时输出，且电压数值各异，因此末级必须加入DC/DC变换器。要求POmax=75W、四路输出，所以选用INTERPOINT公司的（HR703?28512），因为＋24V支路可浮地输出，故跨接在±12V支路上。取输入电压UIN=24V，即蓄电池电平为24V。由于充电器采用LM217恒流，要求输入端电压UImin≥（27.5＋1.25＋2.5）=31.25V。
  其中：27.5V为蓄电池充电上限电压
  1.25V为LM217的基本压差
  2.5V为LM217的最小工作压差
  所以前级DC/DC变换器选用VICOR公司的(VI?J64?CW)，将其输出电压调至32V；
  （2）由于POmax=75W，蓄电池端电压为24V，则IOmax=3.125A。要求持续工作1h，即要求电池的有效容量C′>3.125Ah。根据表3数据，对于1h放电率，其有效容量C′=0.6C，所以电池标称容量C≥3.125/0.6=5.2Ah。考虑温度影响、后级效率、设计裕量及产品规格等因素，可选用Deka牌12V/7Ah电池两块（串联）；
  （3）充电控制电路采用了充放电控制专用芯片CC2024和三端稳压集成块，使得整个电路即简单又可靠。
  恒流电路由LM217构成（IC=0.7A）。由于三端集成稳压器参数优良，过载能力强，而且具有全功能自保护（过流、过压、过热），由其构成恒流源电路，性能可靠，性价比高。
  CC2024是为24V电池充放电控制设计的专用厚膜集成电路，其主要功能如下：
  （1）充电上限电压限制UOmax=27.5V（计算依据参见表1）；
  （2）放电下限电压限制UOmin=21.5V（计算依据参见表2）；
  （3）蓄电池反极性报警当电池的极性接反时，
  外接蜂鸣器报警；
  （4）充电上限电压温度补偿。
  6实验数据
  为了验证设计的正确性及电路的可行性，我们对按图4组装的40套DC?UPS进行了4套抽样实验。其在线工作性能如表4所示。
  表4数据表明，该机电源调整率极低（因为采用两级直流变换），负载调整率及温度漂移均较小，全温全载范围起动性能良好，充电控制及温度补偿作用明显，符合设计标准。
  表4某型DC?UPS在线工作性能实验数据

环境温度(℃) [td]负载电流 [td]输出电压（V） [td]＋5V/3A支路 [td]＋12V/2.5A支路 [td]－12V/2.5A支路 [td]充电支路 [td]起动性能

市电进线电压波动±20％（V） [td]充电电流（mA） [td]上限电压（V）

176V [td]220V [td]264V [td]176V [td]220V [td]264V [td]176V [td]220V [td]264V

－15 [td]0A [td]直流电压 [td]5.13 [td]5.13 [td]5.13 [td]12.12 [td]12.12 [td]12.12 [td]－11.97 [td]－11.97 [td]－11.97 [td]689 [td]27.56 [td]OK

纹波峰值 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.15

Iomax/2 [td]直流电压 [td]5.09 [td]5.09 [td]5.09 [td]12.14 [td]12.14 [td]12.14 [td]－11.89 [td]－11.89 [td]－11.89 [td]689 [td]27.56 [td]OK

纹波峰值 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.15

Iomax [td]直流电压 [td]5.08 [td]5.08 [td]5.08 [td]12.02 [td]12.02 [td]12.02 [td]－11.85 [td]－11.85 [td]－11.85 [td]689 [td]27.56 [td]OK

纹波峰值 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.15

＋25 [td]0A [td]直流电压 [td]5.12 [td]5.12 [td]5.12 [td]12.10 [td]12.10 [td]12.10 [td]－11.95 [td]－11.95 [td]－11.95 [td]698 [td]27.40 [td]OK

纹波峰值 [td]0.05 [td]0.05 [td]0.05 [td]0.05 [td]0.05 [td]0.05 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.10

Iomax/2 [td]直流电压 [td]5.09 [td]5.09 [td]5.09 [td]12.06 [td]12.06 [td]12.06 [td]－11.90 [td]－11.90 [td]－11.90 [td]698 [td]27.40 [td]OK

纹波峰值 [td]0.05 [td]0.05 [td]0.05 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.10

Iomax [td]直流电压 [td]5.07 [td]5.07 [td]5.07 [td]12.03 [td]12.03 [td]12.03 [td]－11.86 [td]－11.86 [td]－11.86 [td]698 [td]27.40 [td]OK

纹波峰值 [td]0.05 [td]0.05 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.20

＋45 [td]0A [td]直流电压 [td]5.10 [td]5.10 [td]5.10 [td]12.06 [td]12.06 [td]12.06 [td]－11.92 [td]－11.92 [td]－11.92 [td]704 [td]27.32 [td]OK

纹波峰值 [td]0.05 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.10

Iomax/2 [td]直流电压 [td]5.07 [td]5.07 [td]5.07 [td]12.01 [td]12.01 [td]12.01 [td]－11.85 [td]－11.85 [td]－11.85 [td]704 [td]27.32 [td]OK

纹波峰值 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.20

Iomax [td]直流电压 [td]5.06 [td]5.06 [td]5.06 [td]11.98 [td]11.98 [td]11.98 [td]－11.80 [td]－11.80 [td]－11.80 [td]704 [td]27.32 [td]OK

纹波峰值 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.15 [td]0.20 [td]0.20 [td]0.25 [td]0.20 [td]0.20 [td]0.25

＋75 [td]0A [td]直流电压 [td]5.07 [td]5.07 [td]5.07 [td]12.01 [td]12.01 [td]12.01 [td]－11.87 [td]－11.87 [td]－11.87 [td]710 [td]27.14 [td]OK

纹波峰值 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.10 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.20 [td]0.20 [td]0.20

Iomax/2 [td]直流电压 [td]5.05 [td]5.05 [td]5.05 [td]11.97 [td]11.97 [td]11.97 [td]－11.81 [td]－11.81 [td]－11.81 [td]710 [td]27.14 [td]OK

纹波峰值 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.15 [td]0.20 [td]0.20 [td]0.20 [td]0.25 [td]0.25 [td]0.30

Iomax [td]直流电压 [td]5.03 [td]5.03 [td]5.03 [td]11.94 [td]11.94 [td]11.94 [td]－11.76 [td]－11.76 [td]－11.76 [td]710 [td]27.14 [td]OK

纹波峰值 [td]0.20 [td]0.20 [td]0.25 [td]0.25 [td]0.25 [td]0.30 [td]0.30 [td]0.30 [td]0.35[/tr][/tr][/tr][/tr][/tr][/tr]

[td][/td][td][/td]
  
  其离线（断开电网输入）工作性能实验数据如表5所示。
  表5离线工作性能实验数据

环境温度（℃） [td]负载功率（W）＊ [td]持续工作时间(min) [td]断点电压(V)＊＊

－15 [td]75 [td]73 [td]21.30

＋25 [td]75 [td]82 [td]21.53

＋45 [td]75 [td]84 [td]21.62[/tr][/tr][/tr][/tr][/tr][/tr]

＊注1?表中额定负载是由5V×3A＋12V×2.5A＋(－12V)
  ×(－2.5A)设定；
  ＊＊注2?表中断点电压是指放电控制电路断开负载时的
  电池端电压。
  7结语
  本文研究表明：
  （1）恒流恒压方式充电是保证蓄电池满容量、延长使用寿命的最佳方案；
  （2）多路输入的直流无扰切换是提高系统可靠性和效率的首选方案；
  （3）用LM317及CC2024实现充放电控制电路简单、成本低、可靠性高。
  参考文献
  1王其英主编.UPS电源原理剖析及应用.北京：科学出版社,1990
  2张乃国主编．电源技术．北京：中国电力出版社，1998
  3VICOR,INTERPOINT,ETRI,ERICSSON,Deka,SOLAR,AD,IR,TI等公司．DATABOOKS.