引言
該類小型智能化UPS 電源主要應用在通信行業、醫療設備和移動機器人等低電壓場合，具備運行可靠、噪音小、能耗低等特點。目前國外多所高校和公司在針對該類UPS 進行研究和試制，并且在小型交流UPS 電源上取得了一些進展。但是國內所進行的相關研究尚處于起步階段。
不同于多數交流輸出的UPS 電源，本文提出的小型UPS 電源是通過控制相應的DC-DC 模塊直接獲得直流輸出，避免了轉換過程中的能量損耗。在系統設計上采用了嵌入式設計思想，將主控芯片與外圍功能電路融合在同一塊電路板中，軟硬件協同工作以實現UPS 的智能化管理并大大減小系統的體積。
1 硬件系統
1.1 系統概述
如圖1 所示，根據項目需要，設計以110 V/50Hz 的交流電為市電輸入，通過開關電源模塊將110V 交流電轉換成12 V 的直流電。同時該模塊內置市電檢測模塊，用來產生市電掉電信號，并將信號傳送給主控芯片。市電經過開關電源AC-DC 轉換后得到12 V 直流輸出并通過LTC4256 熱插拔保護模塊供給負載。同時該直流輸出經過LTC1512 充電模塊穩流后對鋰電池組進行充電。當系統工作在電池組供電模式時，鋰電池組通過LTC3780 放電模塊為負載提供12 V 直流供電。
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圖1 系統整體方框圖
1.2 主控芯片
為了提高系統的集成度，設計采用內部集成AD 轉換功能單元的C8051F320 作為主控芯片。該芯片內含兩個外部中斷源（INT0,INT1）以及一個可編程計數器陣列（Programmable Counter Array,PCA）， 可以同時監測多路I/O 信號及產生方波控制信號。
主控芯片通過不斷讀取鋰電池組電壓、溫度、充電電流以獲知系統當前的運行狀況。當捕捉到市電掉電信號時，主控芯片迅速給LTC3780 發出工作信號（高電平），并給LTC1512 發出關閉信號（低電平），從而實現對負載的不間斷供電；當捕捉到市電來電信號時，主控芯片給出相反的邏輯電平，切換為市電供電狀態。
1.3 市電檢測模塊
為了實現對主控芯片及其他外圍芯片的隔離保護，市電檢測模塊通過PC817 型光耦將市電掉電信號接入主控芯片：當市電正常供電時，在光敏二極管的驅動下，主控芯片的對應引腳直接被接地置低；當市電掉電時，光耦斷開，對應引腳被3.3 V 電源置高。主控芯片通過中斷程序監測該引腳上邏輯電平的變化得到市電供電的狀態從而控制UPS 電源工作在相應狀態。
1.4 電源管理模塊
電源管理模塊由電源選擇單元和穩壓芯片組構成。設計采用電源選擇芯片LTC4416 實現內部電源選擇。電路如圖2 所示，開關電源輸出為主電源，鋰電池組為從電源。其工作方式為：當市電供電時，LTC4416 通過E1 引腳判定主電源供電正常； 當開關電源輸出電壓低于Vf a i l（圖中電路Vf a i l為8.9 V）時，LTC4416 判定主電源供電故障， 選擇鋰電池組對系統內部供電。電源選擇電路不僅保證了系統內部正常供電，也增加了電池組的工作時間。穩壓芯片組將選擇后的電源分別穩壓為5 V 和3.3 V,并提供給相應的模塊， 系統內部電源分配如圖3 所示。
圖2 LTC4416 電源選擇模塊電路
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圖3 系統內部電源框圖
1.5 后備鋰電池組
該UPS 電源采用14.4 V,3.3 Ah 可充電鋰電池組作為后備電池組，其最大充電電壓為17.4 V.電池組內部集成了控制芯片，供電后，控制芯片能產生充電完成信號、放電結束信號以及電池組溫度。
1.6 充電模塊及放電模塊
以LTC1512 為核心的充電模塊，通過電壓及電流反饋調節等方式將12 V 直流輸入轉換為16.8 V的恒流輸出向電池組充電。當電池組供電時，以LTC3780 為核心的放電模塊將電池組輸出穩壓為12 V 提供給負載。
為了實現對UPS 的智能化管理，系統需要對電池組電壓和充電電流進行監測。電池組電壓的測量方法為：將電壓分壓、濾波后送入主控芯片的AD 轉換單元，處理得到當前電壓值。充電電流則通過將采樣電阻兩端的電壓分別送入ADC 單元轉換得到電壓差值，進而推導出電流值。
1.7 熱插拔模塊
熱插拔保護即帶電插拔保護，允許用戶在不關閉系統、不切斷電源的情況下取出和更換硬盤、電源或板卡等部件。該UPS 電源優點之一是集成以LTC4256 為核心的熱插拔保護模塊，從而提高系統對災難的及時恢復能力、擴展性和靈活性等。此外LTC4256 還能起到抑制輸出紋波、提高電能質量的作用。
2 軟件系統
2.1 軟件系統功能描述
智能UPS 電源的功能是基于硬件電路設計，利用軟件控制相應模塊來實現。如圖4 所示，軟件系統的主要功能為：
圖4 軟件功能說明圖
（1） 當市電正常供電時， 軟件系統通過獲取電池組信息來判斷是否對電池組充電，并監控電池組電壓和溫度，確保UPS 電源的正常工作。
（2） 當市電對電池組充電時， 中斷系統實時監測充電電流，出現異常時發出報警并停止充電以保護電池組。
（3） 當市電掉電時， 軟件系統控制主控芯片迅速給出相應控制信號，切換到電池組供電模式。
（4） 當UPS 電源工作在電池組供電模式時，中斷系統實時監控放電結束信號和電池組電壓，當電池組電能耗盡時，停止電池組供電。
（5） 當電池組電壓過低或電池組溫度異常時，軟件系統發出報警指示， 并且強制關閉UPS 系統，確保系統安全。
2.2 主控芯片的初始化
C8051F320 每個引腳都可以被配置為模擬輸入或數字I/O 引腳， 被選擇作為數字I/O 的引腳還可以被配置為推挽或漏極開路輸出。此外數字交叉開關允許將內部數字系統資源映射到端口I/O 引腳。
用戶可以通過配置端口跳過寄存器（PnSKIP）、端口交叉開關寄存器（XBR0, XBR1）等寄存器來根據設計要求自由分配數字資源的功能引腳。
為了簡化硬件電路，主控芯片采用內部振蕩器作為時鐘基準。軟件初始化時則通過配置寄存器OSCICN 來選取內部時鐘基準。
2.3 中斷系統設計
由于市電檢測需要保證足夠的實時性，所以采用中斷方式來監測市電掉電信號。軟件上采用PCA模塊的輸入捕捉功能來捕獲信號的變化，從而提升系統的動態性能。PCA 模塊初始化程序如下：
void PCA_Init（void）
{
PCA0MD = 0x00;
PCA0CPM0 = 0x31;
PCA0CN = 0x40;
EIE1 = 0x10;
PCA0L = 0x00;
PCA0H = 0x00;
}
2.4 AD 轉換軟件設計
C8051F320 的AD 轉換單元支持最多17 路模擬輸入，從功能上滿足了設計要求。其軟件分為初始化和測量兩部分。初始化主要負責選擇電壓基準，配置ADC 模塊工作方式等，而測量部分程序則用來獲取UPS 工作時的電池組電壓、充電電流和電池組溫度并根據報警閾值對系統進行保護。
由于AD 轉換過程中會受到各種因素的干擾，因此程序中需要相應的誤差補償來確保數據的準確性。這些誤差補償參數可以通過估算得到理論值，然后根據多次試驗的實際數據進行修正得到合適的補償參數。
2.5 報警處理
當UPS 工作在電池組供電狀態且電池組電壓較低時（小于12 V），軟件系統控制蜂鳴器報警，其程序如下：
if（battery_voltage<12.0）
{
if（Discharge==1）
{
Buzzer_Low（2）；
}
if（Discharge==1）
{
ET0=1;
TR0=1;
}
}
電池組溫度報警程序中設置了兩個溫度閾值，較低值為報警閾值（Temp_Alert），用來控制蜂鳴器報警，警示用戶。較高值為停機閾值（Temp_Stop），當溫度高于停機閾值時， 強制關閉系統以保護UPS 電源，其程序如下：
if（temp<Temp_Alert）
{
Buzzer=1;
if（temp<Temp_Stop）
{
Charge=0;
Discharge=0;
}
}
2.6 軟件系統總結
在硬件電路的基礎上通過對主控芯片的軟件進行設計，融合AD 轉換單元、中斷系統、PCA 計數器模塊等多個部分， 最終實現UPS 電源的功能：市電掉電后UPS 電源能持續給負載供電，并且切換時間小于10 ms;具有自保護措施，實現對UPS 電源的智能化管理；具備聲光預警功能，能夠直觀的提示用戶UPS 電源的工作狀況；良好的魯棒性，能較好的抵抗外界干擾。
3 實驗結果
圖5 為小型UPS 樣機圖， 凹槽中為鋰電池組，主控板安裝在訂制的外殼中。
圖5 小型UPS 實物圖
圖6 表示當市電掉電時，UPS 電源實現工作狀態的自動切換。由圖中負載端輸出波形可以看出，市電掉電時，UPS 電源迅速啟用備用鋰電池組進行供電，其切換時間接近于零，遠低于后備式UPS 電源限定的10 ms 切換時間。
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圖6 UPS 工作狀態切換波形圖
4 結語
本UPS電源系統采用后備式方式， 與在線式UPS 相比，切換時間相對較長但有價格優勢，但由于采用嵌入式軟硬件控制，極大地縮短了系統動態響應時間，使得本電源系統在切換時間上接近在線式UPS 電源，實現了一種既保證可靠供電又降低成本和能耗的小型UPS 直流電源。