多功能直流UPS的設(shè)計

3.3蓄電池的壽命

蓄電池使用壽命縮短的主要原因有以下幾個方面：

（1）放電深度和幅度大容量放電和大電流放電都會縮短蓄電池的使用壽命，所以在蓄電池放電時，一定要有放電深度限制（設(shè)置放電下限電壓控制），以防止電池過放電；

（2）充電容量和幅度太大的充電電流會產(chǎn)生大量的氣體，以致超過電池的吸收能力，導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力增大，使氣體甚至電解液從閥門逸出電池體外，造成電池失效。過充電會造成電池極板老化，縮短電池壽命，所以，為了保證蓄電池隨時處于100％滿容量，又延長使用壽命，恒流恒壓充電是最合適的；

（3）環(huán)境溫度溫度過高和過低都會降低電池的使用壽命。

4直流UPS的設(shè)計

DCUPS的實現(xiàn)方案由于設(shè)計要求、設(shè)計思想、設(shè)計風(fēng)格的不同而多種多樣。從可靠性、性價比等技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度，我們制定如圖3所示方案。

4.1輸入融合

為了盡量減少蓄電池的起用時間，延長壽命，交流輸入端采用多路并聯(lián)輸入。這樣只要其中一路有電，系統(tǒng)就由電網(wǎng)供電，而不必起動備用電池。

分別將各路交流輸入整流變換為直流脈動電壓，再進(jìn)行直流無擾切換，將多路輸入融合為一路輸出。直流切換的優(yōu)點是：電路簡單，可靠性高，無觸點切換，對外圍電路輻射干擾小。多路融合還可以利用三相輸入電壓相位的不同，提高整流效率。

4.2直流變換

考慮到充放電控制及輸出電路對輸入電壓數(shù)值及穩(wěn)定性的要求，先將整流濾波后的直流高壓進(jìn)行一次變換是必要的，而且這對提高后級工作可靠性，延長使用壽命都有很大好處。

按圖2所示原理，DCUPS只有一路輸出，而且其端電壓在輸入失電時隨電池能量的減小而降低。所以，為了滿足多路輸出及電壓穩(wěn)定的要求，往往要在輸出級加上二次直流變換。當(dāng)然，對于遠(yuǎn)程負(fù)載或多用戶負(fù)載，先將單路輸出送至用戶端，再進(jìn)行二次直流變換，不失為一種好方案，這樣可以減小串?dāng)_，提高供電質(zhì)量。

至于DC/DC變換器，其電路形式和工作方式多種多樣，但由于其成熟的工業(yè)品已經(jīng)較為普及，所以只需選訂相關(guān)的品牌及參數(shù)即可。目前質(zhì)量較好的有：美國的VICOR、INTERPOINT，日本的COSEL、λ，法國的GAIA、ETRI，瑞典的ERICSSON等品牌。

4.3充放電控制

結(jié)合第2節(jié)、第3節(jié)中對UPS和蓄電池原理及性能的討論，我們采用恒流恒壓方式自動充電、二極管導(dǎo)引的充放電自動切換和放電下限電壓限制（自動切斷負(fù)載通路）。

圖4DC－UPS原理電路

二極管導(dǎo)引的充放電自動切換，雖然損失一定的電壓（二極管導(dǎo)通壓降，小于1.0V），但其優(yōu)點是無觸點，響應(yīng)速度快，可靠性高，且兼有反向極性保護(hù)功能。

如前所述，設(shè)置放電深度限制是必須的，由于放電容量及剩余容量不好測定，故在工程上常用電池的端電壓來粗略估計，即以放電時的端電壓來標(biāo)明電池的剩余容量。所以設(shè)置放電下限電壓來限制放電的深度。

5設(shè)計實例

我們以某型通訊機(jī)電源為實例，來設(shè)計一臺實用的DCUPS。

5.1技術(shù)指標(biāo)

該機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）輸入：每相AC220V±20％，三路輸入（三相星形接法）；

（2）輸出：DC＋5V/3A，DC±12V/1.5A，DC＋24V/1.0A，四路輸出；

（3）失電持續(xù)供電時間>1h；

（4）工作環(huán)境：戶外（工業(yè)品級）。

5.2原理電路

按圖3所示方案設(shè)計的原理電路如圖4所示。其主要設(shè)計依據(jù)如下:

（1）由于輸出級要求四路同時輸出，且電壓數(shù)值各異，因此末級必須加入DC/DC變換器。要求POmax=75W、四路輸出，所以選用INTERPOINT公司的（HR70328512），因為＋24V支路可浮地輸出，故跨接在±12V支路上。取輸入電壓UIN=24V，即蓄電池電平為24V。由于充電器采用LM217恒流，要求輸入端電壓UImin≥（27.5＋1.25＋2.5）=31.25V。

其中：27.5V為蓄電池充電上限電壓

1.25V為LM217的基本壓差

2.5V為LM217的最小工作壓差

所以前級DC/DC變換器選用VICOR公司的(VIJ64CW)，將其輸出電壓調(diào)至32V；

（2）由于POmax=75W，蓄電池端電壓為24V，則IOmax=3.125A。要求持續(xù)工作1h，即要求電池的有效容量C′>3.125Ah。根據(jù)表3數(shù)據(jù)，對于1h放電率，其有效容量C′=0.6C，所以電池標(biāo)稱容量C≥3.125/0.6=5.2Ah。考慮溫度影響、后級效率、設(shè)計裕量及產(chǎn)品規(guī)格等因素，可選用Deka牌12V/7Ah電池兩塊（串聯(lián)）；

（3）充電控制電路采用了充放電控制專用芯片CC2024和三端穩(wěn)壓集成塊，使得整個電路即簡單又可靠。

恒流電路由LM217構(gòu)成（IC=0.7A）。由于三端集成穩(wěn)壓器參數(shù)優(yōu)良，過載能力強，而且具有全功能自保護(hù)（過流、過壓、過熱），由其構(gòu)成恒流源電路，性能可靠，性價比高。

CC2024是為24V電池充放電控制設(shè)計的專用厚膜集成電路，其主要功能如下：

（1）充電上限電壓限制UOmax=27.5V（計算依據(jù)參見表1）；

（2）放電下限電壓限制UOmin=21.5V（計算依據(jù)參見表2）；

（3）蓄電池反極性報警當(dāng)電池的極性接反時，

外接蜂鳴器報警；

（4）充電上限電壓溫度補償。

6實驗數(shù)據(jù)

為了驗證設(shè)計的正確性及電路的可行性，我們對按圖4組裝的40套DCUPS進(jìn)行了4套抽樣實驗。其在線工作性能如表4所示。

表4數(shù)據(jù)表明，該機(jī)電源調(diào)整率極低（因為采用兩級直流變換），負(fù)載調(diào)整率及溫度漂移均較小，全溫全載范圍起動性能良好，充電控制及溫度補償作用明顯，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

表4某型DCUPS在線工作性能實驗數(shù)據(jù)

其離線（斷開電網(wǎng)輸入）工作性能實驗數(shù)據(jù)如表5所示。

表5離線工作性能實驗數(shù)據(jù)

×(－2.5A)設(shè)定；

＊＊注2北碇卸系愕繆故侵阜諾緲刂頻緶范峽負(fù)載時的

電池端電壓。

7結(jié)語

本文研究表明：

（1）恒流恒壓方式充電是保證蓄電池滿容量、延長使用壽命的最佳方案；

（2）多路輸入的直流無擾切換是提高系統(tǒng)可靠性和效率的首選方案；

（3）用LM317及CC2024實現(xiàn)充放電控制電路簡單、成本低、可靠性高。