完整word版UPS电源电路.docx

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完整word版UPS电源电路

1概述

XXX系统中需要的能量除了来自于传统的太阳电池阵、蓄电池外，还要有与WPT系统的接口。

对于模块航天器中的能源进行检测、能源平衡以及能源进行控制，是有效提高无线能量传输效率的有效途径。

能源管理系统主要对输入电能量进行管理、存储和分配，为负载提供稳定的输出电压，其对于能量的高效利用，有效应对能源获取、存储和分配所出现的突发事件，保证系统的可靠、正常运行，具有重要的意义。

2引用文件

2.1执行文件

2.2参考文件

3功能描述

3.1系统功能

能源管理系统主要实现对输入电能量进行管理、存储和分配。

在正常工作模式下，两路输入电压经过二极管电路进行“或”隔离输入，由DC/DC转换模块转换为35V直流电压供充电电路及输出DC/DC转换模块使用，电池充电保护模块对电池组进行浮充电，输出DC/DC转换模块把35V转换为稳定的28V输出。

在输入能量供应不足或者输入发生故障的情况下，系统由电池组供电，输出DC/DC转换模块把电池电压转换为稳定的28V输出。

能源管理系统具有监控单元，以实现对电源输入电压、电流，电源输出电压、电流和电池电压电流状态等进行监测和控制。

3.2系统组成

能源管理系统组成框图如图1所示。

能源管理系统包括输入限制保护装置1、2，二极管电路1、2、3、4、5，输入DC/DC转换器，电池充电保护模块，电池放电保护模块，可充电电池组，输出DC/DC转换器，输出限制保护模块，电压电流AD采集模块，能量监测模块，MCU控制模块组成。

图1能源管理系统框图

4主要技术性能指标

a．输入特性

输入电压范围：

DC+21.5V~+32.5V；

电压纹波：

≤300mVpp；

b．输出特性

输出电压：

DC+28+/-2V；

最大输出纹波电压：

≤300mVpp；

输出电流：

~1A；

c．效率特性

输入输出转换效率：

81%；

d．电池特性

电池类型：

磷酸铁锂电池；

电池规格：

24V20Ah

5接口要求

5.1电输入接口满足以下要求:

a.能源管理系统输入通道1输入电压：

+21.5V~+32.5V，纹波≤300mVpp；

b.能源管理系统输入通道2输入电压：

+21.5V~+32.5V，纹波≤300mVpp；

电输出接口满足以下要求：

c.能源管理系统出电压28±1V，纹波≤200mVpp，功率>10W。

（电流1A计算）

5.2机械接口要求：

a.尺寸

能源管理系统的外形尺寸要求见表1。

表1能源管理系统的外形尺寸要求

发射端

项目

指标要求

机壳外形尺寸（长mm×宽mm×高mm）

（300±0.3）×（300±0.3）×（300±0.3）

最大外形尺寸（长mm×宽mm×高mm）

（300±0.3）×（300±0.3）×（300±0.3）

安装尺寸（mm×mm）

（350±0.1）×（300±0.1）

安装孔径（mm）

Φ8.0±0.1

安装孔数量（mm）

4个

b.外观

外观应符合以下要求:

1）产品表面涂层为黑色阳极化，表面无划伤、毛刺、刻痕、裂纹和其他机械损伤；

2）安装面与结构全底面接触，安装面平面度应优于0.1mm/100mm，粗糙度应优于3.2μm。

c.重量

重量≤15kg。

6详细设计

6.1输入限制保护装置

能源管理电路中，需要有输入浪涌抑制，输入欠压关断和输入过压保护等功能。

用RC充电网络控制功率场效应管慢启动实现输入浪涌抑制。

用功率TVS管实现过压保护。

当输入电压超过设定电压时，其TVS管反向导通，电路结构如下图所示：

图2输入浪涌抑制保护电路

输入欠压保护由DC/DC转换器中的开关控制器实现。

DC/DC转换器的开关控制器包含一个欠压锁定电路，输入电压经过电阻分压网络分压，再输入到控制IC，当输入电压低于设定电压时，控制IC可以实现欠压锁定，电路处于待机状态。

图3输入欠压保护电路

6.2DC/DC转换器

能源管理系统输入电压范围为DC+21.5V至+32.5V。

因为电池的浮充电压为29.2V，而且电池充电电路采用BUCK降压电路结构，所以需要输入DC/DC转换器把输入电压转换为35V直流电压，以使充电电路能正常工作。

输入DC/DC转换器采用BOOST升压电路结构。

此时输出DC/DC转换器的输入电压为35V。

当系统没有外部电源输入时，由蓄电池为系统供电，蓄电池输出电压随其电量的减少而降低，其输出电压范围为19.2V至29.2V。

此时输出DC/DC转换器的输入电压为19.2V至29.2V。

综上可知对于输出DC/DC转换器，其输入电压的范围为19.2V~35V，为了获得稳定的+28V输出电压，输出DC/DC转换器采用BUCK-BOOST升降压型结构。

6.2.1输入DC/DC转换器

能源管理系统的输入电压范围为21.5~32.5V，由输入DC/DC转换器转换为35V供后级电路使用。

电路采用BOOST结构，N沟道场效应管选威世公司SUM110N06-3m4L。

电路框图如图4所示。

图4BOOST原理框图

电路主要由开关控制器，功率电感、场效应管和功率二极管构成。

开关控制器用TI公司的用于开关稳压器的高效低侧N通道控制器LM3481。

1、输出电压

，占空比D

2、频率为200K时，

3、R1，R2（也就是芯片资料里的R7R8）

故只要工作时

大于1.275即可。

本设计选择了R1，R2各为100k。

4、Comp脚链接的电阻

取22.6k和电容

去82nF。

5、输出电感L

BOURNS公司的PM2120-5R6M-RC电感电感量为5.6uH，额定电流为15.6A，直流导通电阻为5mΩ。

6、输出反馈电阻

（验证过可行）

7、电流检测电阻,最大输出电流为3A

6.2.2输出DC/DC转换器

输入DC/DC转换器的输出电压为35V，而电池供电时电池的输出电压为19.2~29.2V，所以输出DC/DC转换器需要把19.2V~35V的输入电压转换为28V输出。

电路采用BUCK-BOOST（升降压结构）结构。

图5为原理框图。

图5BUCK-BOOST原理框图

电路主要由开关控制器，功率电感、场效应管和功率二极管构成。

开关控制器用TI公司的宽电压BUCK-BOOST控制器LM25118。

BOURNS公司的PM2110-560K-RC电感电感量为100uH，额定电流为6.1A，直流导通电阻为35mΩ，是适合本方案的器件。

场效应管用Vishay（威世）公司的SUM110N06-3m4L。

1、振荡器频率电阻

2、占空比

（1）当输入电压低于28V时是升压模式：

（2）当输入电压高于28V时是降压模式：

DMIN=VOmin/VINmax=28/35=0.8

DMAX=VOmax/VINmin=28/28.1=0.99

3、输出电感LO

最大电感纹波电流出现在最大输入电压时。

通常情况下，20％至40％的满载电流是在磁芯损耗和电感铜损之间一个很好的折中方案。

BUCK:

BUCK-BOOST:

取折中，L=100uH,并用该电感值反推

。

（BUCK）=0.875A;

（BUCK-BOOST）=6.46A。

BOURNS公司的PM2120-100K-RC电感电感量为100uH，额定电流为6.1A，直流导通电阻为35mΩ。

4、电源开关管QH和QL

VFET=1.5*32V=48V

IFET=IO*0.8=1A*0.8=0.8A

通常选择MOSFET的额定电流为上述电流的三倍，使开关时器件电阻的损耗最小。

场效应管用Vishay（威世）公司的SUM110N06-3m4L。

额定电压为60V，额定电流为110A。

5、电流检测电阻RS

要保证两种模式都能达到各自的最大电流，Rs不能超过42

。

故Rs选40

。

6、UVLO分压器RUV2、RUV1和CFT

RUV1取75K，RUV229.4K取0.1uf。

7、输出电容C9~C12

两个180uf，两个47uf的电容用于减少ESR，两个0.47减少尖峰脉冲。

8、输入电容CIN

在开关频率下，稳压器输入电源电压通常具有高源阻抗。

有必要使用质量好的输入电容来限制VIN引脚的纹波电压，同时在导通时间内提供最大的开关电流。

当高边NMOS器件导通时，电流进入器件使电感电流波形达到谷值，在上升到峰值，然后在关断时下降到零点。

应根据RMS电流额定值和最小纹波电压选择输入电容。

所需的纹波电流额定值的合适近似值是IRMS>IOUT/2。

在本方案中，使用了2.2µF陶瓷电容器。

使用陶瓷电容器输入纹波电压将为三角波。

9、软启动电容Css

SS引脚的电容（CSS）决定了软启动时间（tSS），它是达到最终稳压值的输出电压持续时间。

一个给定CSS的tSS可以用公式（8）计算如下：

10、反馈电阻R8R9

R若R9取值300Ω，则R8为6.45KΩ。

6.3二极管电路

该系统包含两个通道的直流电源输入。

这两部分直流电源输入通过二极管功能电路1和2进行隔离接入，以实现双通道直流电源输入的协调供电，并且保证二者之间不会因为故障或者干扰而相互影响和制约，二极管电路实现了“或”的功能。

在充放电电路中，需要二极管功能电路对充电回路与放电回路进行隔离。

二极管电路3实现充电电路的输入与放电电路的输出之间的隔离，同时起输入DC/DC转换器到输出DC/DC转换器之间直通的作用。

二极管电路4实现充电电路的隔离，二极管电路5实现放电电路的隔离。

二极管电路由一个驱动器和一个N沟道MOSFET组成。

MOSFET开启时，等效为二极管导通状态，MOSFET截止时，等效为二极管截止状态，而MOSFET的导通电阻及导通压降比二极管的导通及导通压降小。

用二极管电路取代一个肖特基二极管，当在二极管“或”和高电流二极管应用中使用时，二极管电路能够降低功耗、热耗散、电压损失。

二极管电路如图6所示。

场效应管用Vishay（威世）公司的SUM110N06-3m4L。

图6二极管电路

6.4电池组

对于能源管理系统而言，当输入电源足以保证向负载正常供电或没有负载时，输入电源可通过电池充电保护模块对电池组进行浮充电；当输入电源不足以保证向负载正常供电的情况下，则由电池组通过电池放电输出保护模块，并经输出DC/DC转换模块为负载供电。

锂电池具有体积小、质量轻、电压高、功率大、自放电少以及使用寿命长等优点。

目前用作锂离子电池的正极材料主要有：

LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2及LiFePO4。

这些组成电池正极材料的金属元素中，钴（Co）最贵，并且存储量不多，镍（Ni）、锰（Mn）较便宜，而铁（Fe）最便宜。

正极材料的价格也与这些金属的价格行情一致。

因此，采用LiFePO4正极材料做成的锂离子电池应是最便宜的。

它的另一个特点是对环境无污染。

作为可充电电池的要求是：

容量高、输出电压高、良好的充放电循环性能、输出电压稳定、能大电流充放电、电化学稳定性能、使用中安全（不会因过充电、过放电及短路等操作不当而引起燃烧或爆炸）、工作温度范围宽、无毒或少毒、对环境无污染。

采用LiFePO4作正极的磷酸铁锂电池在这些性能要求上都不错，特别在大放电率放电（5～10C放电）、放电电压平稳上、安全上（不燃烧、不爆炸）、寿命上（循环次数）、对环境无污染上，它是最好的，是目前最好的大电流输出动力电池。

本系统选用24V磷酸铁锂电池，其主要参数如下：

型号:

IFR26650

电池规格：

24V20Ah；

尺寸：

135*107*213mm；

重量：

5.45kg；

充电电流：

3A；

充电最高电压：

29.2V；

放电整组电池保护：

19V；

充电截止电流：

0.02C。

6.5电池充/放电保护模块

电池充/放电保护模块用来管理电池组的充电和放电进程，提供对电池组的充电维护及放电欠压和过流保护。

6.5.1充电电路

由于锂离子电池的特殊材料特性，锂离子电池的充电方式和一般的可充电电池的充电方式不同，锂离子电池的充电方式通常分为预充、恒流、恒压三个阶段，时序图如图7所示。

图7锂电池的三个充电状态

（1）预充阶段。

当电池电压低于19.2V时，充电器对电池进行预充电。

主要是避免电池在低压时大电流充电对电池寿命造成的影响，此时的充电电流应控制在0.01C（C是电池的额定容量，本方案所选电池的C是20A）以内。

（2）恒流充电阶段。

当电池电压达到恒流规定的门限值19.2V的时候，较大电流的充电有利于加快充电速度，此时的充电电流应控制在0.1C以内，充电器便进入第二阶段，即恒流充电阶段。

（3）恒压充电阶段。

随着电池充电的进行，当电池的电压达到29.2V左右时，充电量接近其额定容量的70%，为了进一步充满电池，充电器进入恒压充电阶段。

在恒压充电阶段，以恒压充电的方式使电池电压保持不变，当充电电流逐渐下降到低于电池的0.1C时，充电周期完成。

在电池已被充到额定能量以后，以较小的充电电流保持电池电压的恒定。

作为充电控制电路，所要完成的就是根据电池不同的状态，将功率电路调整于不同的工作状态，完成结电池充电管理的功能。

充电器原理框图如图8所示，输入电源VIN为35V，经DC/DC转换后产生直流电压给电池充电，控制电路通过采样充电电流和电池电压感知电池和充电器的状态，控制充电器的工作。

图8原理框图

充电器实际电路如图9所示，在该电路中,用TI公司的锂电池充电集成电路bq26430完成全部控制功能。

充电器的功率器件主要有功率MOSFET（SIS412DN、SI7617DN）和滤波电感（8.2μH）等元件。

BQ24630是一款高度集成的锂离子或锂聚合物开关模式电池充电器。

该器件提供了一个恒定频率同步开关PWM控制器以及高准确度的充电电流和电压调节。

另外，BQ24630还具有充电预查验、充电终止、适配器电流调节和充电器状态监视功能，主要有以下特点：

•600kHzNMOS/NMOS同步降压型转换器

•针对锂离子电池或锂聚合物电池的独立型充电器支持

•支持多达6节电池（bq24610）并具有5V至28VVCC的输入工作范围

•高达10A的充电电流和适配器电流

图9电池充电电路

6.5.2放电保护电路

由于锂离子电池具有明显的非线性、不一致性和时变特性，因此在应用时需要进行一定的管理。

另外锂电池对充放电的要求很高，当出现过充电、过放电、放电电流过大或电路短路时，会使锂电池温度上升，严重破坏锂电池性能，导致电池寿命缩短。

当锂电池串联使用于动力设备中时，由于各单节锂电池间内部特性的不一致，会导致各节锂电池充、放电的不一致。

一节性能恶化时，整个电池组的行为特征都会受到此电池的限制，降低整体电池组性能。

为使锂电池组能够最大程度地发挥其优越性能，延长使用寿命，必须要对锂电池在充、放电时进行实时监控，提供过压、过流、温度保护和电池间能量均衡。

过放电保护电路如图10所示，当电池电压高于终止电压时,比较器LM293和三极管构成的驱动电路控制场效应管处于导通状态,电池为系统供电；当电池电压达到或者低于终止电压时,比较器输出高电平,三极管Q1、Q3截止,场效应管U3截止,锂离子电池供电电路被断开。

只有等下次系统上电时（即VIN为高时）,才能够通过三极管Q2、Q3使场效应管U3导通使电池放电,从而起到了防止锂电池过放电的保护作用。

当电池温度过高时，MCU通过置低Contr控制三极管Q3截止使场效应管U3截止,锂离子电池供电电路被断开。

图10过放电保护电路

6.6输出限制保护模块

当负载级发生故障，导致能源管理系统输出发生短路，这时需要快速关断输出以保护系统安全。

输出限制保护模块通过传感电阻和监测电路对输出电流进行监测，当输出电流超过额定值一定范围时，通过输出开关及时关闭输出，并发出告警，以达到对系统安全保护的目的。

当按下复位开关时，系统才能重新输出。

图11输出限制保护电路

6.7监控单元

监控单元实时监测输入能源管理系统前的电流电压、电池的工作状态以及系统的输出电流电压，并监控电池充放电过程，同时可以将系统状态反馈给上位机。

监控单元由电压传感器，电流传感器，模数转换电路ADC，温度传感器和MCU组成。

监控单元对电池组充放电保护模块以及电池状态进行监控，对电池的有效保护和利用，实现电池组的长寿命正常运行。

系统监控单元对能源管理系统进行全局管理，以实现各部分正常、协调、稳定运行，保护系统的可靠与安全。

监控单元实时监测电池组的电量状态，一旦电量低于标定值，就将发送警告信号，请求能量供应；电池组处于充电状态时，电量一达到标定值，就上传溢出信号，请求停止能量供应。

图13监控单元电路框图

微控制器采用atmel公司的AVR系列单片机ATmega64A，ATmega64A是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。

由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega64的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。

所有的寄存器都直接与算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。

这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。

温度传感器DS18b20，传感器可以实时检测电池的温度，当温度达到要设定最高值时，关断系统的输出。

图14监控单元电路

6.7.1电流检测模块

在能源管理系统中电流检测模块有三部分，系统输入前端的电压电流、电池工作时的输出电压电流以及整个系统的输出电压电流。

系统前途输入电压为21.5V~32.5V/电流3A，电池充放电最大电压是29.2V/电流3A，系统输出电压28V/1A。

目前对电流检测一般有三种常用方法：

1、采用电阻+差分运放。

2、一级电流互感器或两级互感器并联的方式。

3、霍尔电流检测器件。

考虑到检测的电压电流值都不是很大，且在监测中电压电流的精度要求不是很高，所以系统采用第一种方法。

系统的电流检测模块中的采样电阻使用的是10mΩ的锰铜电阻，检测放大器采用MAX4081，MAX4081是一种高侧电流检测放大器，输入电压范围4.5V至76V，非常适合需要严密监视电压电流的系统，MAX4081可进行双向电流检测。

通过MAX4081的单一输出引脚，便可连续监视从充电到放电整个变化过程，无须额外的极性输出。

MAX4081还要求用一个外部基准来设定零电流时的输出电平（VSENSE=0V）。

反映充电电流大小的输出电压范围在VREF与VCC之间，而反映放电电流大小的输出电压在VREF与GND之间。

此组芯片76V的输入电压范围完全与电源电压（VCC）和共模输入电压（VRS+）无关，最大限度地扩大了其应用范围。

由于高侧电流检测不干扰被测负载的地线，使得MAX4081广泛使用。

三档不同增益（5V/V、20V/V、60V/V，分别用后缀F，T，S表示）和用户自选的外部检测电阻相组合，很容易自行设定满量程电流以及与之成正比的输出电压。

系统使用MAX4081S，最大量程60v/v，电流5A，灵敏度为±50mv/v，对应的电压输出是检测值与参考电压的差值，所以可通过选取合适的参考电压得出匹配下一级ADC电压采集的输出电压值。

MAX4081电路应用如下图所示：

图15MAX4081电路应用

ADC模数转换模块采用8通道、16位、电荷再分配、逐次逼近寄存器型模数转换器AD7689，AD7689拥有多通道、低功耗数据采集系统所需的所有组成部分，包括：

无失码的真16位SARADC，用于将输入配置为单端输入、差分输入或双极性输入的8通道低串扰多路复用器；内部低漂移基准源和缓冲器；温度传感器；可选择的单极点滤波器，以及当多通道依次连续采样时非常有用的序列器。

6.7.2电压检测模块

同上面提到，能源管理系统中电压检测模块也有三部分，系统输入前端的电压电流、电池工作时的输出电压电流以及整个系统的输出电压电流。

系统前途输入电压为21.5V~32.5V/电流3A，电池充放电最大电压是29.2V/电流3A，系统输出电压28V/1A。

系统采用的是电阻分压原理，如下图所示：

图16电压分压电路图

如图所示，电压检测模块采用的是电压分压原理，由于检测的电压最大值在35V左右，所以依据计算论证采用分压衰减原理，再通过一级运算放大器进行跟随缓冲，有效防止分压电路失效而致使过高电压直接连接到ADC芯片，导致ADC芯片可能烧毁。

运算放大器的跟随电路更有利于下一级的ADC信号驱动能力。

电压分压电阻采用高精度、低温漂的金属玻璃釉电阻，精度为1%，R1为1KΩ，R2为9KΩ，整个电压分压电路对原信号进行10倍衰减。

ADC模数转换模块采用8通道、16位、电荷再分配、逐次逼近寄存器型模数转换器AD7689。

6.7.3温度检测模块

温度检测模块主要采用的是DS18b20温度检测器件，独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

测温范围－55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃。

在使用中不需要任何外围元件。

测量结果以9~12位数字量方式串行传送

6.8结构设计

结构形式

材料与工艺

机箱的壳体采用2mm厚的钢板冲制焊接而成。

各连接部分充分考虑搭接，因而整个机箱具有导电、导热性能好等特点。

机箱壳体表面喷涂涂敷层，内部插箱部件表面也进行相应的表面处理，从而进一步保证机箱的热设计指标。

整个机箱体积不大，重量适中，加工费用中等。

机箱面板布局及特点机箱面板器件按易于观察、操作方便以及信息流程进行布局，分成5块：

即天线光接口区、用户光接口区、显示区、EDFA接口区以及控制区，各区块配以相应的简明文字说明，操作人员可以准确、方便地使用设备。

机箱面板布局示意图见图9。

6.8电、机械、热接口设计

6.8.1电接口设计

能源管理系统主要包括：

能源补充接口，电源输出接口，通信接口。

6.8.2机械接口设计

根据部件及设备空间环境模拟鉴定试验条件的要求，为了适应加速度、振动、冲击等力学环境，要求结构设计的强度、刚度、安全裕度和辐射保护满足XXX设计和建造规范的要求，并能顺利通过各项验收级试验，机壳采用铝合金材料，机壳厚度选用2.5mm的铝合金材料2A12-Hll2。

6.8.3热接口设计

机壳表面（除底板外）进行了黑色阳极氧化处理，半球发射率εH≥0.85。

6.9可靠性、安全性设计

6.9.1可靠性设计

能源管理系统在可靠性设计过程中，坚持以下原则，确保产品的可靠性。

优化方案设计、简化电路是提高可靠性的有效措施。

在设计中，尽力简化系统配置，减少硬件的数量和规模，提高可靠性。

能源管理系统设计所采用的机械结构、模数转换电路、通信电路、电平转换电路都采用成熟技术。

在设计中，充分考虑了产品的“三化”设计。

能源管理系统集成电路分为进口器件和国产器件两类，进口器件根据MIL--HDBK--217P标准预计，国产器件根据GB/Z299B-98电子设备可靠性预计手册预计，阻容件、半导体分立器件根据GB/Z299B-98电子设备可靠性预计手册预计。

6.9.2安全性设计

能源管理系统用电电压较低，不会给操作人员造成危险。

能源管理系统的电输入输出端都设有电源限流滤波电路，防止了电源短路。

6.10电磁兼容性设计

根据电磁兼容性设计要求，星载设备在设计中要重点考虑两个问题，即对本设备干扰源的控制和提高自身抗干扰能力，使各设备间有良好的电磁兼容性。

6.10.1控制自身干扰