智能化在线式UPS的设计

2006-05-07 15:49:45来源: 电子产品世界

    摘要:随着通信技术的飞速发展,要求网络畅通高速,据有关的计算机网络运行统计:由于电源质量不高而引起的服务器系统瘫痪的几率为80%,数据出错和丢失的几率为45%,网络瘫痪的几率为34%,这些数据表明为网络设备提供可靠的高质量的电源显得越发重要了。科华公司在多年专业制造KELONG牌UPS的基础上,推出其在线式智能型正弦波输出UPS(不间断电源系统),可以有效解决上述电源引发的问题。

   关键词:在线控制、UPS、MCU、监控软件

    概括说来,现代UPS的发展方向是高频化,小型化和智能化,近年来,科华公司采用最先进的电力电子器件和国际流行的PFC及高频技术,实现了中小功率UPS高频化和小型化的目标。随后使用MCU(单片机)开发一系列新产品,使UPS实现智能化,即电池管理的智能化,人机界面的智能化(远程LCD面板),UPS管理网络化,包括POWERSOFT电源监控软件和UNMS-1 UPS网络管理系统(国家火炬计划项目)。

    对UPS制造商而言,实现UPS智能化可以大幅度提高生产效率。比如,以往UPS调试时需要调节许多电位器和测量多个工作点电压和频率,而采用智能化设计后,只需调节少许电位器,其他参数则通过UPS调试软件界面进行参数设置,由于采用数字处理技术,不存在原来模拟电路的易受环境影响产生的工作点漂移,不存在产品的分散性,即成批产品的一致性很好。

    采用MCU设计,以软件代替硬件,电路板的面积和功耗明显的小了,这样对系统可靠性无疑是有好处的。同时,由于现代的MCU的程序存储器均有加密技术,可以防止非法拷贝,保护知识产权。另外,如果UPS的软件系统设计相对完善,其故障自检功能较强,则可以为安装维护人员提供方便,节省费用和工时。以下为针对在线式智能UPS的几个设计方案。

    1. 基于传统UPS主控制板的原理

    由PLD+MCU实现原模拟电路实现的功能,输出电压动态反馈和I/O相位同步部分将沿用原成熟线路,在基准正弦波合成方面将用一只廉价的PLD器件代换原来由多个计数器、加法器等的实现功能。MCU控制系统可以采用廉价的ATMEL89C52和一只10位11路A/D转换芯片TLC1543及一片XICOR公司的监控+串行EEPROM 芯片X25045组成,可以实现完成输出电压的调整、电池的智能管理、重要器件的在线检测。但是不参与同步控制,在与上位机的通信及生产调试和面板功能方面MCU实现将比原来设计成本低、功能强,实现该方案可以在较少的时间完成。

    2. 基于单芯片的实现方案

    由一块功能强大的MCU完成人机界面、通信、输入输出同步、输出电压PID调节、各种故障判断和自诊断功能,该实现方案可以采用引脚多的Intel 87C196MC或Motorola MC68HC11K4,但是该方案成本较高;开发难度和测试工作量大,如果要几个工程师并行开发,要求项目系统分析员分析能力较强,项目经理能协调各个项目组员无缝协作,软件代码结构化要求高。这种方案实现后可节省电路面积、采购及生产很方便。

    3. 基于双MCU的实现方案

    作者认为此方案最适合目前我国工程师的开发水平,系统具有最大的灵活性和成本的最小化。
    基本想法是由1只管理MCU(mMCU)和一只控制MCU(cMCU)组成。其中mMCU负责人机界面(面板、通信、调试、故障诊断),要求芯片为FLASH(闪存)形式,单片机系统可以用C语言写代码,具备电压监控和复位功能。这款芯片使用Atmel或Philips的89C5X系列(成本为每只低于20元),80C51系列MCU已是业界标准,开发工具及参考资料国内都非常完善,可以由一般的MCU设计人员完成。如果UPS用户提出一些特殊要求,如开关机时序或故障告警特定提示,可以通过ISP方法来解决,软件更改升级非常方便。

t1.gif (11233 字节)    cMCU则负责UPS的I/O同步、逆变器驱动、输出电压稳压PID调节、过流保护、实时采样和整流器驱动等实时控制。在实验做过后可将MCU掩膜,以降低芯片成本,以后的设计可以将其嵌入任何UPS,作为标准模块使用。这项工作应由专业经验丰富的工程师完成,其难度大,要求高。

    由于UPS自身情况(不断电)比较特殊,cMCU不能使用WDT(看门狗监控电路),而mMCU不涉及实时控制,芯片受干扰程序出错后,可以利用WDT或非法指令或非法地址复位来得到解决。它能监督cMCU的运行状态,一旦发现控制异常,可以马上对系统作补救措施,防止造成恶果。

    2芯片方案可以为控制系统分散风险。我们可以选择容量小、速度快的廉价MCU进行设计,估计可以选到价格小于30元的芯片。

    以上分析表明,采用第3种方案设计UPS将是适合国内厂商的最合理方法,无论从原材料成本,开发难度,软件升级方便性和系统可靠性方面都优于另外2种方案。对于其他行业,如果设备同时涉及实时控制和非实时管理,则采用双芯片或多芯片方案(芯片间通过CAN总线或SPI或较慢的RS485总线通信)不失为一种可取的方案。

 

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2005.html
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