電源：數(shù)字化控制UPS中電池電壓的檢測方法

1. 引言

隨著用電設(shè)備對電源系統(tǒng)可靠性要求的進(jìn)一步提高，能夠獲得持續(xù)、穩(wěn)定的純凈電源的UPS得到了越來越廣泛的使用。在線式UPS工作原理圖如圖1(a)所示，當(dāng)市電供電正常時，市電一方面經(jīng)充電器給蓄電池充電，另一方面經(jīng)整流器變成直流后送至變壓器，經(jīng)逆變器變換成高質(zhì)量的交流電供給負(fù)載;當(dāng)無市電或市電供電異常時，由蓄電池通過逆變器向負(fù)載提供電能，保證負(fù)載供電不間斷，此時UPS電源將完全依靠儲存在蓄電池中的能量來維持其逆變器的正常工作。因此，正確、及時地檢測出蓄電池的電壓狀態(tài)就成了UPS系統(tǒng)可靠運(yùn)行的一個必不可少的組成部分[1,2]。

數(shù)字化控制技術(shù)在UPS中的應(yīng)用日益廣泛[3]。在DSP控制的UPS中，為了提高系統(tǒng)可靠性，控制電路和包括蓄電池在內(nèi)的主功率電路必須是隔離的，如圖1(b)所示，因此DSP必須對電池電壓進(jìn)行隔離采樣[1]。隔離可以在數(shù)字量或模擬量端口實(shí)現(xiàn),結(jié)構(gòu)框圖分別如圖2(a)和圖2(b)所示。

圖1 在線式UPS的原理框圖　(a)結(jié)構(gòu)框圖　(b)電氣隔離原理框圖

2.電池電壓的檢測方法

2.1 數(shù)字量隔離

參考圖2(a)，先將電池電壓經(jīng)摸數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)隔離后再送入DSP。這種方案中，被隔離的是只具有高低電平的數(shù)字信號，一般的高速光電耦合器即可滿足要求。但是由于ADC與DSP相連的每根信號線都需加以隔離，并行ADC雖然可以獲得較快的傳輸速度，但并行輸出的特點(diǎn)決定了其隔離電路的復(fù)雜性，從系統(tǒng)的簡單性考慮，宜選用串行ADC來實(shí)現(xiàn)。

該方案的電路實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖3所示，檢測回路主要由串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC, 高速光耦和TMS320F240的同步通信接口SPI口組成，通過A/D轉(zhuǎn)換，模擬輸入量電池電壓被轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號以適應(yīng)DSP的同步通信接口SPI的傳輸要求。電池電壓的采樣是用MAXIM公司生產(chǎn)的串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX189實(shí)現(xiàn)的，MAX189是+5V、低功耗的12位串行ADC，電池電壓E經(jīng)分壓后送入MA189的模擬電壓輸入引腳AIN，在SPI口的同步時鐘控制下被轉(zhuǎn)化成串行數(shù)據(jù)輸出，DSP通過讀取SPISOMI寄存器即得到采樣電壓的值。

圖4(a)為MAX189的工作時序，CS為高電平時，輸出引腳Dout為高阻狀態(tài)，CS引腳的下跳沿啟動A/D轉(zhuǎn)換。應(yīng)用中將DSP的同步通信SPI口設(shè)置為主工作方式，SPISTE引腳設(shè)置為通用I/O口，將SPISTE引腳的信號線經(jīng)隔離后與MAX189的CS引腳相連，通過軟件中改變SPISTE的電平狀態(tài)來決定A/D轉(zhuǎn)換的啟動或停止，從而控制采樣的具體時間。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后,Dout從高阻態(tài)跳變?yōu)楦唠娖?，Dout的上升沿表明A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束，在此之后即可讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。因MAX189是12位的串行數(shù)據(jù)輸出，而TMS320F240的SPI通信口每次至多可以傳輸8個數(shù)據(jù)位，故一次采樣結(jié)果須分兩次進(jìn)行接收。

圖4　A/D和DSP的工作時序

(a)MAX189工作時序　 (b)SPI口的工作時

需要注意的是，TMS320F240的SPI通信口提供了四種工作時序[2]，如圖4(b)所示，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)根據(jù)MAX189的工作方式對SPI口的時序進(jìn)行適當(dāng)選擇。

2.2 模擬量隔離

參考圖2(b)，該方案是在A/D轉(zhuǎn)換之前進(jìn)行隔離，即先將電池電壓分壓隔離后再送入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因?yàn)楸桓綦x的信號是模擬量，隔離前后的信號必須成線性關(guān)系，可以選用精度較高的線性光耦實(shí)現(xiàn)。此處采用HCNR200線性光耦。

HCNR200線性光耦合器是由一個紅外光LED照射分叉配置的一個隔離反饋二極管和一個輸出光二極管組成，如圖5(a)。LED的光通量決定流經(jīng)兩個二極管的電流的大小。由于HCNR200內(nèi)部特殊的制造工藝，在一定的輸入電流范圍里，它的電流傳輸比保持不變，輸出光二極管產(chǎn)生的電流信號與反饋光二極管產(chǎn)生的電流信號成線性比例關(guān)系。由圖5(b)：

(1)

(2)

式(1)、(2)中

分別為隔離反饋二極管和輸出二極管的電流，

為電池電壓經(jīng)分壓后的值，

為輸出結(jié)果，送到TMS320F240的A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量以供CPU的處理。

根據(jù)式(1)、(2)，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系表達(dá)式如下：

(3)

式(3)中

為電流傳輸比，HCNR200的K約為0.85—1.25

圖5(b)中Q1,R3,R4,R5,R6構(gòu)成了LED的驅(qū)動回路，因Q1的放大作用，使得在輸入電壓較小的情況下，LED的電流不致于太小。該驅(qū)動回路的加入提高了系統(tǒng)的增益，保證了低輸入電壓情況下光耦的線性度。