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一份讓您愛不釋手的UPS設計方案,傾情奉上

發布時間:2023-05-03 來源:東芝 責任編輯:wenwei

【導讀】縱觀近20年,全球共有數十起因停電而造成的重大事故。每次事故發生,都會嚴重影響到當地的居民生活水平。為了減輕因停電帶來的極端影響,UPS電源的需求逐年提高。


為什么我們需要UPS


UPS全名叫不間斷電源,顧名思義他是獨立于有線電源外的補給電源,是將鉛酸電池與UPS主機連接,通過主機逆變器等模塊電路將直流電轉換成市電的系統設備。它主要用于當電網出現故障停電時給重要高端設備、精密儀器、計算機網絡系統等提供穩定、不間斷的電力供應,使得重要的工作能夠正常進行下去,避免因停電造成重大事故和損失。


如何設計強大的UPS電源


設計UPS之前需要了解UPS的工作原理。當市電正常時,UPS電源將市電穩壓后供應給負載使用,此時的UPS就是一臺交流市電穩壓器,同時它還向機內電池充電;當市電斷掉時,UPS電源立即將機內電池的電能,通過逆變轉換的方法向負載繼續供應交流電。這里芝子整理了一份UPS標準的系統框圖,如下所示:


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圖1 UPS標準的系統框圖


例如風能、太陽能產生的電能通過電源調節器后作為有線電源輸入UPS系統中,此時DC-DC轉換裝置將電能降壓儲存在電池當中,此時電池處于正向充電狀態。一旦連接UPS的外界電源無法供給,UPS將會再次利用DC-DC轉換裝置將儲能電池電源升壓輸出,此時電池處于逆向放電狀態。值得一提的是在DC-DC裝置中采用了東芝研發的DTMOS系列的增強型MOSFET,如TO-220SIS封裝的TK25A60X,TK16A60W5等,TOLL封裝的TK110U65Z和TK190U65Z等。提升了RDS(on)×Qgd性能,同時具備二極管反向恢復特性。


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圖2 UPS內部DC-DC轉換原理圖


如上圖所示,電池的存放電在USB塊保護電路、RS-232塊保護電路、顯示器塊保護電路,DC-DC-MCU信號傳輸電路共同協作下完成,這使得電源交互形成一個良好的閉環。


通過DC總線的直流電壓能夠很順利在DC-AC逆變裝置中被轉換輸出穩定的交流電,從而滿足交流用電器的日常電能開銷。


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圖3 UPS內部DC-AC轉換原理圖


為了更好的使得電路功率因素得到提高,進一步減少電流和電壓之間的相位差造成的交換功率損失(無功功率損失),UPS系統中還額外增加了功率因素校正電路PFC,從而提升電力利用率。


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圖4 UPS內部PFC電路原理圖


在東芝UPS系統方案中,采用了自研的ESD功能TVS管,包括封裝為SL2的DF2B6M4SL/DF2B20M4SL、CST2的DF2B5PC/DF2B7PCT,CST2C的DF2S14P2CTC從而防止電路故障,保護設備;同時為了更好的保護電路系統,加入了自研的光耦合器,具有高抗干擾能力,超高壓隔離,耐受高溫性能,包含封裝為SOL16L的TLP5214/TLP5231以及封裝為SO6L的TLP5754/TLP2761/TLP2768A進行選型構建。在UPS的控制系統中嵌入了一顆以Cortex-M3為核心,工作頻率高達80MHz,具備3相PWM輸出和以太網功能的微控制器TMPM369FDFG/TMPM369FDXBG,以低功耗實現逆變控制和內部系統通信。使得整個UPS系統實現了完整的通信控制機制。同時考慮到MCU的工作環境,為了準確的傳遞控制信號到DC-DC裝置中,在其中間還額外增加了帶隔離屬性的放大器TLP7820,支持電壓5V供電電壓,在共模態模式下提供至少CMTI=15kV/μs瞬變消除。


如何快速實現方案落地


東芝半導體提供完善的UPS設計構造解決方案,小至器件選型、模塊整合,大到系統架構、產品落地,東芝半導體都將為客戶提供一站式服務。更多關于器件選型和器件性能評估、以及整體設計理念敬請訪問東芝半導體官方網站,來沉浸式體驗UPS的設計之路。



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