我们以某型通讯机电源为实例,来设计一台实用的DCUPS。
5.1技术指标
该机主要技术指标如下:
(1)输入:每相AC220V±20%,三路输入(三相星形接法);
(2)输出:DC+5V/3A,DC±12V/1.5A,DC+24V/1.0A,四路输出;
(3)失电持续供电时间>1h;
(4)工作环境:户外(工业品级)。
5.2原理电路
按图3所示方案设计的原理电路如图4所示。其主要设计依据如下:
(1)由于输出级要求四路同时输出,且电压数值各异,因此末级必须加入DC/DC变换器。要求POmax=75W、四路输出,所以选用INTERPOINT公司的(HR70328512),因为+24V支路可浮地输出,故跨接在±12V支路上。取输入电压UIN=24V,即蓄电池电平为24V。由于充电器采用LM217恒流,要求输入端电压UImin≥(27.5+1.25+2.5)=31.25V。
其中:27.5V为蓄电池充电上限电压
1.25V为LM217的基本压差
2.5V为LM217的最小工作压差
所以前级DC/DC变换器选用VICOR公司的(VIJ64CW),将其输出电压调至32V;
(2)由于POmax=75W,蓄电池端电压为24V,则IOmax=3.125A。要求持续工作1h,即要求电池的有效容量C′>3.125Ah。根据表3数据,对于1h放电率,其有效容量C′=0.6C,所以电池标称容量C≥3.125/0.6=5.2Ah。考虑温度影响、后级效率、设计裕量及产品规格等因素,可选用Deka牌12V/7Ah电池两块(串联);
(3)充电控制电路采用了充放电控制专用芯片CC2024和三端稳压集成块,使得整个电路即简单又可靠。
恒流电路由LM217构成(IC=0.7A)。由于三端集成稳压器参数优良,过载能力强,而且具有全功能自保护(过流、过压、过热),由其构成恒流源电路,性能可靠,性价比高。
CC2024是为24V电池充放电控制设计的专用厚膜集成电路,其主要功能如下:
(1)充电上限电压限制UOmax=27.5V(计算依据参见表1);
(2)放电下限电压限制UOmin=21.5V(计算依据参见表2);
(3)蓄电池反极性报警当电池的极性接反时,
外接蜂鸣器报警;
(4)充电上限电压温度补偿。
6实验数据
为了验证设计的正确性及电路的可行性,我们对按图4组装的40套DCUPS进行了4套抽样实验。其在线工作性能如表4所示。
表4数据表明,该机电源调整率极低(因为采用两级直流变换),负载调整率及温度漂移均较小,全温全载范围起动性能良好,充电控制及温度补偿作用明显,符合设计标准。
表4某型DCUPS在线工作性能实验数据 环境温度(℃) 负载电流 输出电压(V) +5V/3A支路 +12V/2.5A支路 -12V/2.5A支路 充电支路 起动性能 市电进线电压波动±20%(V) 充电电流(mA) 上限电压(V) 176V 220V 264V 176V 220V 264V 176V 220V 264V -15 0A 直流电压 5.13 5.13 5.13 12.12 12.12 12.12 -11.97 -11.97 -11.97 689 27.56 OK 纹波峰值 0.10 0.10 0.10 0.10 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 Iomax/2 直流电压 5.09 5.09 5.09 12.14 12.14 12.14 -11.89 -11.89 -11.89 689 27.56 OK 纹波峰值 0.10 0.10 0.10 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 Iomax 直流电压 5.08 5.08 5.08 12.02 12.02 12.02 -11.85 -11.85 -11.85 689 27.56 OK 纹波峰值 0.10 0.10 0.10 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 +25 0A 直流电压 5.12 5.12 5.12 12.10 12.10 12.10 -11.95 -11.95 -11.95 698 27.40 OK 纹波峰值 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.10 0.10 0.10 Iomax/2 直流电压 5.09 5.09 5.09 12.06 12.06 12.06 -11.90 -11.90 -11.90 698 27.40 OK 纹波峰值 0.05 0.05 0.05 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 Iomax 直流电压 5.07 5.07 5.07 12.03 12.03 12.03 -11.86 -11.86 -11.86 698 27.40 OK 纹波峰值 0.05 0.05 0.10 0.10 0.10 0.15 0.15 0.15 0.20 +45 0A 直流电压 5.10 5.10 5.10 12.06 12.06 12.06 -11.92 -11.92 -11.92 704 27.32 OK 纹波峰值 0.05 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 Iomax/2 直流电压 5.07 5.07 5.07 12.01 12.01 12.01 -11.85 -11.85 -11.85 704 27.32 OK 纹波峰值 0.10 0.10 0.10 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.20 Iomax 直流电压 5.06 5.06 5.06 11.98 11.98 11.98 -11.80 -11.80 -11.80 704 27.32 OK 纹波峰值 0.10 0.10 0.15 0.20 0.20 0.25 0.20 0.20 0.25 +75 0A 直流电压 5.07 5.07 5.07 12.01 12.01 12.01 -11.87 -11.87 -11.87 710 27.14 OK 纹波峰值 0.10 0.10 0.10 0.15 0.15 0.15 0.20 0.20 0.20 Iomax/2 直流电压 5.05 5.05 5.05 11.97 11.97 11.97 -11.81 -11.81 -11.81 710 27.14 OK 纹波峰值 0.15 0.15 0.15 0.20 0.20 0.20 0.25 0.25 0.30 Iomax 直流电压 5.03 5.03 5.03 11.94 11.94 11.94 -11.76 -11.76 -11.76 710 27.14 OK 纹波峰值 0.20 0.20 0.25 0.25 0.25 0.30 0.30 0.30 0.35
其离线(断开电网输入)工作性能实验数据如表5所示。
表5离线工作性能实验数据 环境温度(℃) 负载功率(W)* 持续工作时间(min) 断点电压(V)** -15 75 73 21.30 +25 75 82 21.53 +45 75 84 21.62 *注1表中额定负载是由5V×3A+12V×2.5A+(-12V)
×(-2.5A)设定;
**注2表中断点电压是指放电控制电路断开负载时的
电池端电压。
7结语
本文研究表明:
(1)恒流恒压方式充电是保证蓄电池满容量、延长使用寿命的最佳方案;
(2)多路输入的直流无扰切换是提高系统可靠性和效率的首选方案;
(3)用LM317及CC2024实现充放电控制电路简单、成本低、可靠性高。
参考文献
1王其英主编.UPS电源原理剖析及应用.北京:科学出版社,1990
2张乃国主编.电源技术.北京:中国电力出版社,1998
3VICOR,INTERPOINT,ETRI,ERICSSON,Deka,SOLAR,AD,IR,TI等公司.DATABOOKS.
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