王宇，张勇，孟丽囡

（辽宁工业大学 电子与信息工程学院，辽宁锦州，121001）

0 引言

随着工业化深入，用电设备变得多元化，大量精密仪器出现在计算机、工业自动化生产等相关领域中，然而这些设备能否正常、高效运行与设备技术水平相关，同时也由电能是否安全可靠决定。

在线式不间断电源采用两级式变换拓扑结构，当市电正常时，前级将市电整流为直流电，并供给逆变器，然后转化为正弦交流电输出，同时通过充放电回路给蓄电池充电；当市电异常时，通过开关将电池转化为供电状态，蓄电池通过逆变器给负载供电，从而实现真正意义上的零切换。

1 整体设计方案

如图1 所示，当市电正常时，首先将市电通入隔离及自耦变压器，将市电降压随后分为两路，一路通过继电器、整流模块、充放电回路给蓄电池充电，另一路通过继电器、整流及滤波后再通入由L6562 搭建的升压电路，将变压器输出的交流电先变为直流电随后进行升压。同时升压电路输出直流电通过逆变器转化为交流电。输出交流电首先经过电流及电压互感器，再通过STM32 单片机对输出进行检测，将当前数据通过WiFi 发送到手机移动端实现无线检测；当市电异常时，继电器动作，电路中所需电能全部由蓄电池提供，蓄电池经放电回路后，将电能通入升压电路，最后由逆变器输出。

图1 总体设计框图

2 电路设计

■2.1 升压模块

如图2 所示，继电器主要用途是改变电源供应方式。在线圈两端加上工作电压，线圈中就会流过电流，进而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引下克服返回弹簧的拉力并吸向铁芯，从而带动衔铁动、静触点吸合；当线圈断电后，吸力随之消失，衔铁会在弹簧反作用力下返回原来位置，使动触点与原来的静触点接通，立即切换至蓄电池供电。

图2 基于L6562 的升压电路

输入电压处于正半周时，Da、Dc 导通、Db、Dd 截止，电源给负载供电；当输入电压处于负半周，Db、Dd 导通，Da、Dc 截止，经Db、Dd 及输出端构成通路。交流电压在整个周期内，整流器件在正负半周内各导通一次，输出端始终有电流通过且保持同一方向，得到两个半波电压和电流。

升压电路采用L6562 作为核心芯片，其采用临界模式。电压经过电阻分压连接差分放大器反向输入端，和内部参考电压比较，运放将差值放大一定倍数并输出。输入反相端和运放输出端接了一个补偿网络，实现电压控制回路稳定性，并提高功率因数和获得较低的THD。乘法器的输出作为电流比较器同相输入端和电流比较器产生正弦信号，此信号用作控制的参考信号。NMOS 关断后，升压电感完全释放其存储的能量，此时漏极悬空，升压电感和NMOS 漏极电容产生谐振。漏极电压迅速下降到低于当时的输入电压，ZCD检测到信号并驱动NMOS 导通。

■2.2 逆变模块

如图3 所示，全桥逆变电路的Q1 和Q4 开关管由一组IR2110 驱动，Q2 和Q3 开关管由另一组IR2110 驱动，其开关过程为，开关管Q1、Q4 导通，电源向负载供电；电感L 放电经过VD2、Q1 放电；L 上储存的能量未在2 过程释放完毕，经过VD2、VD3 放电；最后，开关管Q2、Q3导通，电源向负载供电。

图3 逆变模块

EG8010 控制逆变器工作，其工作电压为5V，具有单极性或双极性调制方式且自带死区时间，外接12MHz 晶体振荡器，能实现高精度、失真、谐波都很小的SPWM 正弦波。

■2.3 充放电模块

本文采用16V铅酸蓄电池，所有电池中铅酸电池应用广，为提高使用效率和使用寿命，需要良好的充放电回路。

如图4 所示，当主电路有电时，继电器JK1 动作，管脚1 和管脚2 连通，36V 交流电经过整流和滤波变为较稳定的34.36V 直流电，一路经过二极管送给输出，另一路进入可调三端稳压器将输出电压设定在30.2V 左右，其输出电压计算公式为：U0=1.25(1+R7/R2)。继电器JK1闭合后，NE555 芯片引脚经过非门变成高电平，使继电器JK2 动作，蓄电池接入充电回路。

图4 充放电模块

当主电路没有电时，继电器JK1 动作，管脚1和管脚2 断开，管脚2 和管脚3 连接，使蓄电池接入放电回路，放电过程中电池电压持续下降，分压后电压小于1/3VCC 时，V0 变为高电平使继电器JK2 常开，即管脚1 和管脚2 断开，管脚2 和管脚3 连接，LM7812 输入电压被断开，NE555 和非门停止工作，蓄电池完全从电路中断开，不再对外放电。

■2.4 WiFi 检测模块

如图5 所示，WiFi 检测模块由电压互感器和电流互感器两部分构成，检测模块采集逆变模块的输出电压和电流信号，并送至手机移动端实时采样显示有效值。

图5 WiFi 检测模块

3 WiFi 通信协议

WiFi 通信协议的查询事件法，修改时钟中断向量指针，周期性地对UPS 进行查询，然后把WiFi 模块的控制权还给中断服务程序。UPS 出现不正常信息时，中断服务程序能从单片机的RS232 串口中获取异常的信息，并立即将其显示在手机移动端的界面提醒用户。故障提示程序能进行手机振动提醒，保护单片机系统同时，延长UPS 寿命。如果电力恢复了，则转到原时钟中断服务程序进行中断的返回。WiFi 通信协议的框图如图6 所示。

图6 WiFi 通信协议框图

4 测试结果

基于WiFi 的在线式不间断电源设计制作完成后，对其进行了测试，实物主要由隔离及自耦变压器、升压模块、逆变模块、WiFi 检测模块和充放电模块等部分构成。测试设备为万用表和示波器。

■4.1 市电正常时测试

市电正常时，蓄电池进行充电电压测试，万用表红黑表笔接至蓄电池正负极，如图7 所示，电池充电电压为13.66V。

图7 蓄电池充电电压

IR2110 驱动、EG8010 控制的逆变模块进行输出电压波形、电流值测试，示波器通道1 测试线并联至逆变输出、万用表串联至逆变模块输出，得到如图8 所示，其输出电压为30.2V，输出电流为1.024A，频率为49.86Hz。

图8 市电正常逆变模块输出波形

如图9 所示，UPS 工作时，手机移动端通过WiFi 连接，手机移动端显示输出电压为30.1V，输出电流为1.0A，输出功率为30.3W，电量为903.0KW*H 和时间为30.0s。当输出功率超过50W时，继电器动作，电源正常工作，仅负载断开，手机振动提醒。

图9 市电正常手机移动端显示

■4.2 市电异常时测试

市电异常时，放电回路进行输出电压和电流测试，万用表红黑表笔分别并联、串联至放电回路输出，如图10 所示，蓄电池输出电压为15.98V，输出电流为1.803A。

图10 蓄电池放电电压电流

IR2110 驱动、EG8010 控制的逆变模块进行输出电压波形和电流值测试，两个万用表分别并联、串联接至逆变输出，得到如图11 所示，其输出电压为30.0V，输出电流为1.015A，频率为50.08Hz。

图11 市电异常逆变模块输出波形

如图12 所示，手机移动端显示输出电压为30.3V，输出电流为1.0A，输出功率为30.3W，电量为909.0KW*H 和时间为30.0s。UPS 处于蓄电池供电状态，输出功率过大时，设备断开，手机振动提醒。如果电池电量低于10%，则自动保存数据，用电设备停止运行。

图12 市电异常手机移动端显示

5 测试分析

市电正常或异常时，评价UPS 优劣指标有七个：输出电压、输出电流、频率、负载调整率、电压调整率、失真度和效率。

■5.1 市电正常时评价指标

市电正常情况时，UPS 性能：

（1)经隔离和自耦变压器后U1=36V，输出电压、输出电流、频率为U0=30.2V、I0=1.024A、f=49.86Hz。

（2)经隔离和自耦变压器后U1=36V，I0在0.1A～1.0A范围变化，通过改变滑动变阻器阻值，将输出电流调为0.1A，此时U0(0.1A)=30.13V，U0(1A)=30.2V，经公式(1)得负载调整率SI为0.233%。

（3)交流供电，U1在18.2～35.0V 内变化，通过调节变压器匝数比使变压器二次侧电压为35.0V 和18.2V，此时输出电压U0(35V)=30.62V、U0(18.2V)=30.78V，由公式(2)得，电压调整率SU为0.533%。

（4)交流供电，根据U0、I0、Ud、Id的值和公式(3)，效率W 为91.661%。

（5)在（1)条件要求下，UPS 输出电压为正弦波，由功率分析仪得，失真度为1.634%。

■5.2 市电异常时评价指标

市电异常情况时，UPS 性能：

（1)蓄电池供电下，Ud=15.98V，此时输出电流I0=1.015A、输出电压U0=30.0V、频率f=50.08Hz。

（2)蓄电池供电下，Ud=15.98V，根据公式(3)得，效率为95.181%。

6 结论

经测试，市电正常情况下，U1=36V，输出电压U0、频率f 均符合了设计要求，I0在0.1～1.0A 范围内变化，负载调整率SI=0.233%，I0=1A，U1在18.2～35.0V 范围内变化，电压调整率SU=0.533%，失真度THD=1.634%，效率为91.661%。市电异常情况下，即切换至蓄电池供电，输出电流I0，输出电压U0、频率f 均符合了设计要求，Ud=36V、I0=1A 条件下，效率为95.181%，符合了UPS 应用指标。手机移动端实现了检测电压、电流、功率、电量和时间，具有一定的开发和设计参考价值。