1引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，電子設(shè)備與人們的工作、生活關(guān)系越來(lái)越密切。這些電子設(shè)備，例如pC機(jī)以及各種嵌入式系統(tǒng)等，對(duì)供電質(zhì)量要求也越來(lái)越高。工作中突然停電或電源的不穩(wěn)定將帶來(lái)數(shù)據(jù)的丟失、設(shè)備的損壞、機(jī)器的誤動(dòng)作和整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓等十分重大的危害。因此安全可靠的供電電源是我們不得不認(rèn)真面對(duì)的重要問(wèn)題。解決穩(wěn)定電源問(wèn)題的方法有濾波、線性穩(wěn)壓、UpS等多種，UpS是唯一可完全解決穩(wěn)定電源問(wèn)題的設(shè)備。

UpS(UninterruptiblepowerSupply)是一種向負(fù)載提供不間斷、優(yōu)質(zhì)、高效和可靠的穩(wěn)定電壓的電源。UpS，按其輸出電壓的不同可以分為交流UpS和直流UpS。交流UpS的工作原理是當(dāng)市電電源正常時(shí)，一路市電通過(guò)整流器給蓄電池供電，直到蓄電池為浮充狀態(tài)為止，另一路通過(guò)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓再經(jīng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)直接向負(fù)載供電。當(dāng)市電中斷時(shí)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)斷開(kāi)交流電的輸入，AC／DC充電停止工作，蓄電池通過(guò)逆變器向負(fù)載供電。直流UpS的工作原理是當(dāng)市電電源正常時(shí)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接直流穩(wěn)壓電源的輸出，負(fù)載由直流穩(wěn)壓電源直接供電，同時(shí)用直流穩(wěn)壓電源給蓄電池充電，直到充滿(mǎn)為止；當(dāng)市電中斷時(shí)，直流穩(wěn)壓電源輸出中斷，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)斷開(kāi)與直流穩(wěn)壓源的連接，由蓄電池經(jīng)過(guò)DC／DC向負(fù)載供電。

對(duì)于pC機(jī)和嵌入式系統(tǒng)等直流用電設(shè)備來(lái)說(shuō)，采用直流UpS比交流UpS具有更突出的優(yōu)點(diǎn)，諸如電路簡(jiǎn)單，所用元器件少、成本低廉、功耗小、體積重量小、可靠性高、制造容易、維護(hù)方便等。

本文設(shè)計(jì)的直流UpS是基于MAXIM公司的MAXIM668控制芯片的Boost電路。該方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，獨(dú)立切換，具有較高的輸出精度。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性和這種方案的可行性。

2UpS系統(tǒng)工作原理

圖1所示是本文中UpS系統(tǒng)框圖。UpS系統(tǒng)由市電檢測(cè)單元、UpS及切換單元組成。工作原理是，檢測(cè)單元實(shí)時(shí)檢測(cè)市電是否中斷。當(dāng)市電正常時(shí)，封鎖Boost電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，UpS不工作，切換單元切換到開(kāi)關(guān)電源，pC機(jī)由開(kāi)關(guān)電源直接供電，同時(shí)由開(kāi)關(guān)電源輸出給蓄電池充電至浮充狀態(tài)；當(dāng)市電中斷時(shí)，開(kāi)啟Boost電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由切換單元切換到UpS，pC機(jī)由UpS供電。這樣就能保證在電壓正常或中斷時(shí)均提供穩(wěn)定直流電壓給pC機(jī)。

UpS系統(tǒng)檢測(cè)單元如圖2所示。檢測(cè)單元由整流橋、RC電路以及光耦隔離電路組成，其輸出out根據(jù)所檢測(cè)的市電是否發(fā)生中斷而產(chǎn)生邏輯電平。當(dāng)市電正常時(shí)，市電通過(guò)整流橋整流，經(jīng)RC作整流輸出濾波得到直流電，經(jīng)過(guò)R2使得光耦導(dǎo)通，使得檢測(cè)單元輸出out為低電平，從而封鎖UpS控制信號(hào)，UpS不工作；當(dāng)市電中斷時(shí)，光耦不導(dǎo)通，檢測(cè)單元輸出out高電平，打開(kāi)UpS控制信號(hào)，啟動(dòng)UpS。值得注意的是，這里C1取值較小，以保證市電檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。

圖1虛線框中為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的UpS，由控制驅(qū)動(dòng)電路、Boost電路、和蓄電池組成。圖3所示為其電路圖。其中控制驅(qū)動(dòng)電路采用MAXIM公司的MAXIM668芯片。這里用蓄電池給芯片供電。MAXIM668是一種固定頻率的工作于電流模式的pWM控制器。正常工作時(shí)，通過(guò)電壓閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)和電流峰值調(diào)節(jié)來(lái)控制其輸出的pWM信號(hào)，以達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目的。SYNC／SHDN為片選信號(hào)，高電平有效，由檢測(cè)單元的輸出out控制。REF端內(nèi)部產(chǎn)生1.25V參考電壓。FREQ端接電阻Rosc來(lái)控制芯片的工作頻率。FB端為反饋端，通過(guò)反饋電阻R2、R3分壓的結(jié)果與芯片REF端的1.25V電壓進(jìn)行比較來(lái)控制MAXIM668的工作，構(gòu)成電壓閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)。CS+端外接檢流電阻，通過(guò)比較檢流電阻上的電流值與芯片內(nèi)部由電壓調(diào)節(jié)器決定的電流峰值，來(lái)控制芯片EXT輸出端的pWM信號(hào)的脈寬，構(gòu)成電流峰值調(diào)節(jié)。UpS的主電路為一個(gè)Boost電路。通過(guò)控制EXT輸出端的pWM信號(hào)的脈寬，保證Vout為穩(wěn)定的5V。蓄電池在此不僅給Boost電路供電同時(shí)要給控制芯片MAXIM668供電。

切換單元原理如圖4虛線框中所示。其基本原理為當(dāng)市電處于正常或中斷狀態(tài)時(shí)分別使開(kāi)關(guān)電源或UpS向負(fù)載供電。從而保證負(fù)載供電穩(wěn)定。圖中的繼電器都為常開(kāi)狀態(tài)。

中用檢測(cè)單元輸出out和UpS輸出Vout共同作用來(lái)控制切換單元是否動(dòng)作。控制邏輯中先將Vout做兩級(jí)施密特反相器，使其不工作時(shí)輸出0，正常工作時(shí)輸出1。再將變換后的Vout和out做與邏輯。使得當(dāng)out和Vout輸出同時(shí)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)繼電器M1關(guān)斷，繼電器M2閉合；當(dāng)out和Vout輸出任一個(gè)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，M1閉合，M2關(guān)斷。

由于繼電器的機(jī)械特性會(huì)帶來(lái)切換開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)關(guān)斷比閉合快的問(wèn)題，導(dǎo)致在切換開(kāi)關(guān)對(duì)開(kāi)關(guān)電源和UpS進(jìn)行相互切換時(shí)，會(huì)有一段負(fù)載供電的缺口。文中設(shè)計(jì)了一個(gè)控制延時(shí)關(guān)斷、立即閉合的環(huán)節(jié)解決這個(gè)問(wèn)題。

當(dāng)市電由中斷到正常時(shí)，控制邏輯輸出為0。此時(shí)對(duì)M1而言，控制信號(hào)為1，因此為立即閉合狀態(tài)；對(duì)M2而言，控制信號(hào)為0，因此為延時(shí)關(guān)斷。反之亦然。

3關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

3.1MAXIM668芯片頻率計(jì)算

MAXIM668允許的頻率范圍是100KHz-500KHz，其芯片的頻率設(shè)定公式如式(1)所示。由式(1)可知，選定不同的芯片的工作頻率fosc即可求得Rosc。本文取fosc為100KHz，可求得Rosc

3.2MAXIM668反饋電阻計(jì)算

UpS系統(tǒng)指標(biāo)要求是輸出5V電壓，根據(jù)MAXIM668芯片的反饋電阻設(shè)定的公式

在此，Vout=5V，VREF=1.25V。選擇R3=10KΩ，則R2=30KΩ。

3.3Boost電路中電感值計(jì)算

本文中的蓄電池采用三節(jié)1.2V串聯(lián)給Boost電路供電為3.6V。為了滿(mǎn)足pC機(jī)的可靠供電，設(shè)定電感L上的電流紋波必須為pC機(jī)允許范圍內(nèi)，這里取紋波為50mA，則I(peak-peak)=100mA。由f=100KHz，則T=10μs，由升壓斬波電路輸出輸入電壓與開(kāi)關(guān)管通斷時(shí)間的關(guān)系如式(3)。

3.4供電時(shí)間計(jì)算

對(duì)于UpS系統(tǒng)，在切換至UpS后能讓負(fù)載維持正常供電的時(shí)間也是我們所關(guān)心的。在蓄電池選定后其安時(shí)數(shù)一定，因此供電時(shí)間由負(fù)載所需電流決定。針對(duì)本系統(tǒng)給定負(fù)載所需電流Iload為3A，蓄電池的安時(shí)數(shù)為150mAh，則供電時(shí)間為3分鐘。也就是說(shuō)在斷電3分鐘時(shí)間之內(nèi)，pC機(jī)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存處理，保證了市電正常后可以正常運(yùn)行。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1UpS主電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5為UpS工作時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。在其中1為Boost電路中MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形(每格5V)，2是Boost電路中MOSFET的漏極波形(每格2V)，3是Boost電路的輸入電壓(以及蓄電池電壓)波形(每格2V)，4號(hào)是Boost電路的輸出即UpS最終輸出的電壓波形(每格5V)。可以從圖中看出UpS系統(tǒng)在切換后仍然可以提供穩(wěn)定的5V電壓給負(fù)載。

圖6所示為切換單元在進(jìn)行切換時(shí)的波形。圖中0～42ms為切換開(kāi)關(guān)接到開(kāi)關(guān)電源端的波形，42ms后為切換開(kāi)關(guān)接到UpS端的情況。其中1是MAXIM668的片選信號(hào)即檢測(cè)單元的輸出out的波形，2是MAXIM668輸出給開(kāi)關(guān)管柵極的控制信號(hào)波形，3號(hào)是UpS系統(tǒng)最終輸出電壓Vout波形。

從圖中可以看出，市電在42ms時(shí)刻之前中斷，系統(tǒng)可以迅速檢測(cè)到中斷信號(hào)使MAXIM668工作產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且UpS系統(tǒng)立即啟動(dòng)，反應(yīng)速度快，輸出的直流電壓為穩(wěn)定5V。

5結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于MAIXM668升壓斬波電路的微型UpS系統(tǒng)。控制電路采用MAXIM公司的MXAIM668芯片。整個(gè)系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的有效性。