1 概述
将功能强大的嵌入式微处理器( 本文选用LPC2214 ) 系统引入UPS ,可以增强UPS 的功能,使其具有网络化、智能化的特性,满足许多无人职守基站的用电要求。用数字控制代替模拟控制,可以消除温漂、老化等模拟器件存在的问题;抗干扰能力强,有利于参数整定和调节;通用性强,便于通过改变程序软件方便地调整方案和实现多种新型控制策略;同时高度集成的数字电路可以减少元件数目,简化硬件结构,降低开发成本,并提高系统的可靠性。
2 系统硬件设计
无论市电正常与否,在线式UPS 电源的逆变部分始终处于工作状态。逆变器提供稳压和调节功能,对电网供电起到“净化”作用,同时具有过载保护功能和较强的抗干扰能力,供电质量稳定可靠,在各种拓扑和配置结构的UPS 类型中使用较为普遍。因此本文设计方案采用三阶转换的拓扑结构,即AC-DC-AC 。
2 ．1 系统组成及工作原理
系统结构框图如图1 所示。当市电正常时,市电输入UPS 经滤波、PFC 后,升压到400 V 直流电;再经过逆变器逆变成220 V 交流电,输向负载;同时400 V 直流电经过Buck 降压电路降压后给电池充电。当市电断电后,电池经Boost 拓扑升压电路给总线供电,然后逆变成220 V 交流电。LPC2214 的A ／D 模块采集各个点的工作信息,主控芯片对数据进行分析,依据设定的参数进行判断,作出相应的变化,并将生成的相关记录信息存储到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定和远程控制。
2 ．2 ARM 主控模块及驱动电路
LPC2214 是支持实时仿真和跟踪的16 ／32 位ARM7TDMI-S CPU 微控制器。它带有256 KB 的高速Flash 存储器,128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32 位代码能够在最高时钟频率下运行;拥有丰富的外围接口,如A ／D 转换器、PWM 单元、32 位定时器、向量中断控制器、串口、I 2C 接口等,可以简化硬件电路的设计,诸如A ／D 采集、PWM 调制电路等;内部时钟频率可达60 MHz ,A ／D 转换时间低至2 ．44 μs ,完全可以满足日益提高的UPS 工作频率和功能要求。PFC 、DC ／DC 、DC ／AC 是系统中主要的能量转换部分。DC ／DC 部分包括Buck 电池充电电路、Boost 电池升压电路。所有的PWM 控制由单一的LPC2214 完成。
LPC2214 有6 路PWM 输出,通过对功能寄存器的配置,可设定占空比的大小和定时频率的高低;实现6 路单边沿控制或3 路双边沿控制的PWM 输出,或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 、PWIVE 驱动PFC ,PWM3 驱动Buck 电池充电电路,PWM4 驱动Boost 电池升压电路,PWM5 、PwM6 驱动逆变电路。由于LPC2214 的I ／O 引脚输出能力微弱,需要驱动电路驱动MOSFET 功率管。驱动电路采用间接式磁隔离电压型驱动电路。LPC2214 驱动PN2222(Q1) 。当输出高电平时,Q1 导通,VCC 电压加在TP1 初级,次级获得感应电压,此时电压通过R1 对VTP1 栅极充电,使其导通。当LPC2214 输出低电平时,Q1 关断,变压器TP1 初级线圈由于电感的作用继续阻碍电流的变化,产生感应电势,使Q1 的集电压升高。D1 、R2 和C1 组成吸收电路,将产生的感应电动势吸收消耗,避免电压升高击穿Q1 。变压器的次级也产生感应电势,QP1 导通,使VTP1 的栅极存储电荷通过QP1 释放,加速VTP1 的关断。IGBT 驱动电路如图2 所示。
2 ．3 采样与A ／D 模块
采集电路采集输入电网的电压、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 根据采集到的数据进行运算,控制PWM 的占空比变化,使其输出对应的方波。LPC2214 的A ／D 模块是19 位逐次逼近式模／数转换器,测量范围为0 ～3 V ,一个或多个输入的Burst 转换模式;基本时钟由VPB 时钟模式,可编程分频器可将时钟调整至逐步逼近转换所需的4 ．5 MHz 。电压信号采集分为交流电压取样和直流电压取样两种电路。交流电压的信号经电阻分压为-1 ．5 ～+1 ．5 V 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 ～3 V 的范围内,满足A ／D 的采集范围。直流电压信号( 如400 V 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 ．8 V) 和I ／O 操作电压(3 ．3 V) ,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5 V 电压稳压成主控芯片的3 ．3 V 和1 ．8 V 。TPS73xx 系列芯片是双路输出,输出电流可达250 mA ,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。5 V 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AC 85 ～265 V 。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NAND Flash K9F2G16U0M 。其内部采用非线性宏单元模式,固态大容量存储;容量为256 MB ,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Silicon Labs 公司推出的独立以太网控制器。符合。IEEE802 ．3 协议,内置10 Mbps 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Magic Packet 、单播、多播等信息包;支持Intel 和Mo-torola 两种总线方式;具有8 KBFlash 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。