嵌入式微处理器在线不间断电源的设计

作者：孙，姚爱琴。

1概述

目前UPS主要有两个发展方向：一是不断加强新功能，如增加远程监控、自动诊断、识别、事件记录、故障报警等功能；第二，自我效能的提高。随着高效率的IC芯片和新的制造技术，空载功耗不断降低，功率密度进一步提高。紧凑和密集的空间设计为小型电子设备的应用带来了新的解决方案。

将功能强大的嵌入式微处理器系统(本文选用LPC2214)引入到不间断电源中，可以增强不间断电源的功能，使其具有网络化、智能化的特点，满足许多无人值守基站的用电需求。用数字控制代替模拟控制，可以消除模拟器件的温漂、老化等问题；抗干扰能力强，有利于参数设置和调整；通用性强，通过改变程序软件，方便调整方案，实现多种新的控制策略；同时，高度集成的数字电路可以减少元件数量，简化硬件结构，降低开发成本，提高系统的可靠性。

2系统硬件设计

无论市电是否正常，在线不间断电源的逆变器部分始终处于工作状态。逆变器提供稳压调节功能，可以净化电网的电源。同时具有过载保护功能，抗干扰能力强，供电质量稳定可靠。它广泛应用于各种拓扑和配置的不间断电源类型。因此，本文的设计方案采用三阶转换的拓扑结构，即交流-DC-交流。

2.1系统组成和工作原理

系统结构框图如图1所示。市电正常时，市电输入UPS经滤波、PFC后升压至400v DC；然后由逆变器转换成220V交流电，传输给负载；同时，降压电路降压400伏DC给电池充电。市电断电时，电池通过Boost拓扑升压电路给母线供电，然后变成220V交流电。LPC2214的a/d模块采集各点的工作信息，主控芯片对数据进行分析，根据设定的参数进行判断，做出相应的更改，并将生成的相关记录信息保存在NANDFlash中。远程接口通过网络与上位机连接，用户可以在监控中心进行相关设置和远程控制。

2.2远程监控主控制模块和驱动电路

LPC2214是一款支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-SCPU微控制器。它拥有256KB的高速Flash存储器，128位宽的内存接口和独特的加速结构，使32位代码能够以最高的时钟频率运行；有丰富的外设接口，如A/D转换器、PWM单元、32位定时器、矢量中断控制器、串口、I2C接口等。可以简化硬件电路的设计，如A/D采集、PWM调制电路等。内部时钟频率可达60MHz，A/D转换时间低至2.44 s，完全能满足UPS日益增长的工作频率和功能需求。PFC、DC/DC和DC/AC是系统中主要的能量转换部件。DC/DC部分包括降压电池充电电路和升压电池升压电路。所有脉宽调制控制由一个单独的LPC2214完成。

LPC2214有6路PWM输出，占空比和定时频率可以通过配置功能寄存器来设置。实现6通道单边控制或3通道双边控制的PWM输出，或者这两种类型的混合输出；具有双缓冲功能，满足系统设计要求。PWM1和PWM5驱动PFC，PWM3驱动Buck电池充电电路，PWM4驱动Boost电池升压电路，PWM 5和PwM6驱动逆变电路。由于LPC2214的I/O引脚输出能力较弱，需要一个驱动电路来驱动MOSFET功率管。驱动电路采用间接磁隔离电压驱动电路。LPC2214驱动PN2222(Q1)。当输出电平高时，Q1接通，VCC电压加到TP1初级，次级获得感应电压。此时，电压通过R1对VTP1的栅极充电，使其导通。当LPC2214输出低电平时，Q1断开，变压器TP1的初级线圈由于电感的作用继续阻挡电流的变化，产生感应电势，增加Q1的集电极电压。D1、R2和C1构成吸收电路，吸收并消耗产生的感应电动势，避免Q1因电压上升而击穿。变压器的次级也产生感应电势，QP1导通，使得存储在VTP1栅极的电荷通过QP1释放，加速VTP1的关断。IGBT驱动电路如图2所示。

2.3采样和模数模块

采集电路采集电压、输入电流、输出电压、输出电流、电池电压、充电电流、放电电流等。LPC2214根据采集的数据进行计算，控制PWM的占空比输出相应的方波。LPC2214的A/D模块是一个19位逐次逼近型A/D转换器，测量范围为0 ~ 3 V，有一种或多种输入突发转换模式。基本时钟基于VPB时钟模式，可编程分频器可以将时钟调整到4.5MHz，这是逐渐逼近转换所需要的。电压信号采集分为交流电压采样和DC电压采样两个电路。交流电压信号分为-

1．5～+1．5V的信号。通过运算放大电路加负电压偏置，将采样信号平移到0～3V的范围内，满足A／D的采集范围。直流电压信号（如400V总线）和电池电压经分压电路降压后，直接进入A／D转换器的采集端。

电流信号同样分交流电流和直流电流，采用霍尔电流传感器LA58-P进行电流／电压转换。交流电流产生的电压信号降压后同样经负电压偏置后接入对应的A／D转换器采集端口。直流电流对应的电压信号采集经分压电阻降压后进入A／D采集端子。图3为交流电压、交流电流的采样偏置电路。其中，Vi是霍尔传感器产生的电压信号。

除上述介绍的采集信号外，还有电池温度、环境温度、相位检测等与UPS使用、管理、维护相关的信号参数。根据采集参数的不同，有各自应用的电路。

2．4供电模块

LPC2214是双电源工作，分为CPU操作电压（1．8V）和I／O操作电压（3．3V），相应地需要两种电压的电源。本设计采用的低压差线性稳压器LDO为TI公司的TPS73xx系列稳压器，将5V电压稳压成主控芯片的3．3V和1．8V。TPS73xx系列芯片是双路输出，输出电流可达250mA，内部集成电压监控器监视器，噪声低，负载／线路瞬态响应优良。图4为双路LDO电源。5V电源来自采用飞兆公司的FSDM0265设计的反激式开关电源。反激式开关电源设计输入电压为AC85～265V。当市电正常供电时，使用市电；当市电电网断电时，由电池的电压向反激式开关电源供电，生成电路中应用的低压直流电源。

2．5工作存储模块

工作存储模块采用NANDFlashK9F2G16U0M。其内部采用非线性宏单元模式，固态大容量存储；容量为256MB，采用页写模式；通过并行数据接口连接到数据总线，可以快速地进行存储或读取。

工作信息分为环境信息和系统信息。环境信息有电网电压、环境温度等；系统信息有输入电流、输入电压、输出电压、输出电流、充电电压、电池信息、断电次数、断电时间等。电池信息又分为电池温度、放电程度、放电电流、充电时间、电池电压等。为了数据移动方便，在总线上连接了USB模块。USB芯片选用Philips公司的高性能USB接口器件PDIUSBD12。用户可以通过网络监控将存储模块中的数据上传，或者用移动数据存储设备将数据拷贝。如图5所示，工作时将数据存储到K9F2G16U0M中。当检测到USB有外接时，将当前存储的数据打包，通过USB接口发送数据。

2．6网络接口模块

UPS系统在向网络化、智能化发展，所以在主控模块电路中设计了网络接口，如图6所示。

网络接口模块采用CP2200芯片。CP2200是SiliconLabs公司推出的独立以太网控制器。符合。IEEE802．3协议，内置10Mbps以太物理层器件PHY及媒介接入控制器MAC，具有可编程填充和CRC自动生成功能；具备可编程滤波功能和特殊的过滤器，可自动评价，接收或拒收MagicPacket、单播、多播等信息包；支持Intel和Mo-torola两种总线方式；具有8KBFlash存储器，可对其灵活编程。远程接口不仅可以向用户提供远程监控等服务，同时也可以通过网络接口将系统软件升级。图6中，FC-518LS隔离器将网络与主控芯片电气隔离，保护系统不受网络中的杂波信号干扰，提高系统的稳定性。

3结论

基于LPC2214的数字化UPS，简化了电路的硬件设计，降低了硬件成本，提高了UPS的可靠性，扩大了升级空间和产品的多样性。通过搭建实验性电路与程序的结合，验证了设计的正确性，为后续研究提供了一定的实验基础。

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