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(多图) LPC2214的在线式UPS硬件设计

单片机与嵌入式系统 中北大学 武振华 孙运强 姚爱琴?? 2010年06月01日 ?? 收藏0

  1 概 述

  目前UPS主要发展方向有两个:一是新的功能不断加强,例如增加远程监视、自动诊断、识别、事件记录、故障警告等功能;二是自身效率的提高。采用高效率的IC芯片和新的制造工艺,使空载功耗不断地降低,功率密度进一步提高。紧凑密集的空间设计给小型电子设备的应用带来了新的解决方案。

  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。

系统结构框图

  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、I2C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2.44μs,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。

IGBT驱动电路

  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。

交流电压

  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。


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LPC2214? UPS? PFC? ARM?

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