完整word版UPS电源电路.docx
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完整word版UPS电源电路
1概述
XXX系统中需要的能量除了来自于传统的太阳电池阵、蓄电池外,还要有与WPT系统的接口。
对于模块航天器中的能源进行检测、能源平衡以及能源进行控制,是有效提高无线能量传输效率的有效途径。
能源管理系统主要对输入电能量进行管理、存储和分配,为负载提供稳定的输出电压,其对于能量的高效利用,有效应对能源获取、存储和分配所出现的突发事件,保证系统的可靠、正常运行,具有重要的意义。
2引用文件
2.1执行文件
2.2参考文件
3功能描述
3.1系统功能
能源管理系统主要实现对输入电能量进行管理、存储和分配。
在正常工作模式下,两路输入电压经过二极管电路进行“或”隔离输入,由DC/DC转换模块转换为35V直流电压供充电电路及输出DC/DC转换模块使用,电池充电保护模块对电池组进行浮充电,输出DC/DC转换模块把35V转换为稳定的28V输出。
在输入能量供应不足或者输入发生故障的情况下,系统由电池组供电,输出DC/DC转换模块把电池电压转换为稳定的28V输出。
能源管理系统具有监控单元,以实现对电源输入电压、电流,电源输出电压、电流和电池电压电流状态等进行监测和控制。
3.2系统组成
能源管理系统组成框图如图1所示。
能源管理系统包括输入限制保护装置1、2,二极管电路1、2、3、4、5,输入DC/DC转换器,电池充电保护模块,电池放电保护模块,可充电电池组,输出DC/DC转换器,输出限制保护模块,电压电流AD采集模块,能量监测模块,MCU控制模块组成。
图1能源管理系统框图
4主要技术性能指标
a.输入特性
输入电压范围:
DC+21.5V~+32.5V;
电压纹波:
≤300mVpp;
b.输出特性
输出电压:
DC+28+/-2V;
最大输出纹波电压:
≤300mVpp;
输出电流:
~1A;
c.效率特性
输入输出转换效率:
81%;
d.电池特性
电池类型:
磷酸铁锂电池;
电池规格:
24V20Ah
5接口要求
5.1电输入接口满足以下要求:
a.能源管理系统输入通道1输入电压:
+21.5V~+32.5V,纹波≤300mVpp;
b.能源管理系统输入通道2输入电压:
+21.5V~+32.5V,纹波≤300mVpp;
电输出接口满足以下要求:
c.能源管理系统出电压28±1V,纹波≤200mVpp,功率>10W。
(电流1A计算)
5.2机械接口要求:
a.尺寸
能源管理系统的外形尺寸要求见表1。
表1能源管理系统的外形尺寸要求
发射端
项目
指标要求
机壳外形尺寸(长mm×宽mm×高mm)
(300±0.3)×(300±0.3)×(300±0.3)
最大外形尺寸(长mm×宽mm×高mm)
(300±0.3)×(300±0.3)×(300±0.3)
安装尺寸(mm×mm)
(350±0.1)×(300±0.1)
安装孔径(mm)
Φ8.0±0.1
安装孔数量(mm)
4个
b.外观
外观应符合以下要求:
1)产品表面涂层为黑色阳极化,表面无划伤、毛刺、刻痕、裂纹和其他机械损伤;
2)安装面与结构全底面接触,安装面平面度应优于0.1mm/100mm,粗糙度应优于3.2μm。
c.重量
重量≤15kg。
6详细设计
6.1输入限制保护装置
能源管理电路中,需要有输入浪涌抑制,输入欠压关断和输入过压保护等功能。
用RC充电网络控制功率场效应管慢启动实现输入浪涌抑制。
用功率TVS管实现过压保护。
当输入电压超过设定电压时,其TVS管反向导通,电路结构如下图所示:
图2输入浪涌抑制保护电路
输入欠压保护由DC/DC转换器中的开关控制器实现。
DC/DC转换器的开关控制器包含一个欠压锁定电路,输入电压经过电阻分压网络分压,再输入到控制IC,当输入电压低于设定电压时,控制IC可以实现欠压锁定,电路处于待机状态。
图3输入欠压保护电路
6.2DC/DC转换器
能源管理系统输入电压范围为DC+21.5V至+32.5V。
因为电池的浮充电压为29.2V,而且电池充电电路采用BUCK降压电路结构,所以需要输入DC/DC转换器把输入电压转换为35V直流电压,以使充电电路能正常工作。
输入DC/DC转换器采用BOOST升压电路结构。
此时输出DC/DC转换器的输入电压为35V。
当系统没有外部电源输入时,由蓄电池为系统供电,蓄电池输出电压随其电量的减少而降低,其输出电压范围为19.2V至29.2V。
此时输出DC/DC转换器的输入电压为19.2V至29.2V。
综上可知对于输出DC/DC转换器,其输入电压的范围为19.2V~35V,为了获得稳定的+28V输出电压,输出DC/DC转换器采用BUCK-BOOST升降压型结构。
6.2.1输入DC/DC转换器
能源管理系统的输入电压范围为21.5~32.5V,由输入DC/DC转换器转换为35V供后级电路使用。
电路采用BOOST结构,N沟道场效应管选威世公司SUM110N06-3m4L。
电路框图如图4所示。
图4BOOST原理框图
电路主要由开关控制器,功率电感、场效应管和功率二极管构成。
开关控制器用TI公司的用于开关稳压器的高效低侧N通道控制器LM3481。
1、输出电压
,占空比D
2、频率为200K时,
3、R1,R2(也就是芯片资料里的R7R8)
故只要工作时
大于1.275即可。
本设计选择了R1,R2各为100k。
4、Comp脚链接的电阻
取22.6k和电容
去82nF。
5、输出电感L
BOURNS公司的PM2120-5R6M-RC电感电感量为5.6uH,额定电流为15.6A,直流导通电阻为5mΩ。
6、输出反馈电阻
(验证过可行)
7、电流检测电阻,最大输出电流为3A
6.2.2输出DC/DC转换器
输入DC/DC转换器的输出电压为35V,而电池供电时电池的输出电压为19.2~29.2V,所以输出DC/DC转换器需要把19.2V~35V的输入电压转换为28V输出。
电路采用BUCK-BOOST(升降压结构)结构。
图5为原理框图。
图5BUCK-BOOST原理框图
电路主要由开关控制器,功率电感、场效应管和功率二极管构成。
开关控制器用TI公司的宽电压BUCK-BOOST控制器LM25118。
BOURNS公司的PM2110-560K-RC电感电感量为100uH,额定电流为6.1A,直流导通电阻为35mΩ,是适合本方案的器件。
场效应管用Vishay(威世)公司的SUM110N06-3m4L。
1、振荡器频率电阻
2、占空比
(1)当输入电压低于28V时是升压模式:
(2)当输入电压高于28V时是降压模式:
DMIN=VOmin/VINmax=28/35=0.8
DMAX=VOmax/VINmin=28/28.1=0.99
3、输出电感LO
最大电感纹波电流出现在最大输入电压时。
通常情况下,20%至40%的满载电流是在磁芯损耗和电感铜损之间一个很好的折中方案。
BUCK:
BUCK-BOOST:
取折中,L=100uH,并用该电感值反推
。
(BUCK)=0.875A;
(BUCK-BOOST)=6.46A。
BOURNS公司的PM2120-100K-RC电感电感量为100uH,额定电流为6.1A,直流导通电阻为35mΩ。
4、电源开关管QH和QL
VFET=1.5*32V=48V
IFET=IO*0.8=1A*0.8=0.8A
通常选择MOSFET的额定电流为上述电流的三倍,使开关时器件电阻的损耗最小。
场效应管用Vishay(威世)公司的SUM110N06-3m4L。
额定电压为60V,额定电流为110A。
5、电流检测电阻RS
要保证两种模式都能达到各自的最大电流,Rs不能超过42
。
故Rs选40
。
6、UVLO分压器RUV2、RUV1和CFT
RUV1取75K,RUV229.4K取0.1uf。
7、输出电容C9~C12
两个180uf,两个47uf的电容用于减少ESR,两个0.47减少尖峰脉冲。
8、输入电容CIN
在开关频率下,稳压器输入电源电压通常具有高源阻抗。
有必要使用质量好的输入电容来限制VIN引脚的纹波电压,同时在导通时间内提供最大的开关电流。
当高边NMOS器件导通时,电流进入器件使电感电流波形达到谷值,在上升到峰值,然后在关断时下降到零点。
应根据RMS电流额定值和最小纹波电压选择输入电容。
所需的纹波电流额定值的合适近似值是IRMS>IOUT/2。
在本方案中,使用了2.2µF陶瓷电容器。
使用陶瓷电容器输入纹波电压将为三角波。
9、软启动电容Css
SS引脚的电容(CSS)决定了软启动时间(tSS),它是达到最终稳压值的输出电压持续时间。
一个给定CSS的tSS可以用公式(8)计算如下:
10、反馈电阻R8R9
R若R9取值300Ω,则R8为6.45KΩ。
6.3二极管电路
该系统包含两个通道的直流电源输入。
这两部分直流电源输入通过二极管功能电路1和2进行隔离接入,以实现双通道直流电源输入的协调供电,并且保证二者之间不会因为故障或者干扰而相互影响和制约,二极管电路实现了“或”的功能。
在充放电电路中,需要二极管功能电路对充电回路与放电回路进行隔离。
二极管电路3实现充电电路的输入与放电电路的输出之间的隔离,同时起输入DC/DC转换器到输出DC/DC转换器之间直通的作用。
二极管电路4实现充电电路的隔离,二极管电路5实现放电电路的隔离。
二极管电路由一个驱动器和一个N沟道MOSFET组成。
MOSFET开启时,等效为二极管导通状态,MOSFET截止时,等效为二极管截止状态,而MOSFET的导通电阻及导通压降比二极管的导通及导通压降小。
用二极管电路取代一个肖特基二极管,当在二极管“或”和高电流二极管应用中使用时,二极管电路能够降低功耗、热耗散、电压损失。
二极管电路如图6所示。
场效应管用Vishay(威世)公司的SUM110N06-3m4L。
图6二极管电路
6.4电池组
对于能源管理系统而言,当输入电源足以保证向负载正常供电或没有负载时,输入电源可通过电池充电保护模块对电池组进行浮充电;当输入电源不足以保证向负载正常供电的情况下,则由电池组通过电池放电输出保护模块,并经输出DC/DC转换模块为负载供电。
锂电池具有体积小、质量轻、电压高、功率大、自放电少以及使用寿命长等优点。
目前用作锂离子电池的正极材料主要有:
LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2及LiFePO4。
这些组成电池正极材料的金属元素中,钴(Co)最贵,并且存储量不多,镍(Ni)、锰(Mn)较便宜,而铁(Fe)最便宜。
正极材料的价格也与这些金属的价格行情一致。
因此,采用LiFePO4正极材料做成的锂离子电池应是最便宜的。
它的另一个特点是对环境无污染。
作为可充电电池的要求是:
容量高、输出电压高、良好的充放电循环性能、输出电压稳定、能大电流充放电、电化学稳定性能、使用中安全(不会因过充电、过放电及短路等操作不当而引起燃烧或爆炸)、工作温度范围宽、无毒或少毒、对环境无污染。
采用LiFePO4作正极的磷酸铁锂电池在这些性能要求上都不错,特别在大放电率放电(5~10C放电)、放电电压平稳上、安全上(不燃烧、不爆炸)、寿命上(循环次数)、对环境无污染上,它是最好的,是目前最好的大电流输出动力电池。
本系统选用24V磷酸铁锂电池,其主要参数如下:
型号:
IFR26650
电池规格:
24V20Ah;
尺寸:
135*107*213mm;
重量:
5.45kg;
充电电流:
3A;
充电最高电压:
29.2V;
放电整组电池保护:
19V;
充电截止电流:
0.02C。
6.5电池充/放电保护模块
电池充/放电保护模块用来管理电池组的充电和放电进程,提供对电池组的充电维护及放电欠压和过流保护。
6.5.1充电电路
由于锂离子电池的特殊材料特性,锂离子电池的充电方式和一般的可充电电池的充电方式不同,锂离子电池的充电方式通常分为预充、恒流、恒压三个阶段,时序图如图7所示。
图7锂电池的三个充电状态
(1)预充阶段。
当电池电压低于19.2V时,充电器对电池进行预充电。
主要是避免电池在低压时大电流充电对电池寿命造成的影响,此时的充电电流应控制在0.01C(C是电池的额定容量,本方案所选电池的C是20A)以内。
(2)恒流充电阶段。
当电池电压达到恒流规定的门限值19.2V的时候,较大电流的充电有利于加快充电速度,此时的充电电流应控制在0.1C以内,充电器便进入第二阶段,即恒流充电阶段。
(3)恒压充电阶段。
随着电池充电的进行,当电池的电压达到29.2V左右时,充电量接近其额定容量的70%,为了进一步充满电池,充电器进入恒压充电阶段。
在恒压充电阶段,以恒压充电的方式使电池电压保持不变,当充电电流逐渐下降到低于电池的0.1C时,充电周期完成。
在电池已被充到额定能量以后,以较小的充电电流保持电池电压的恒定。
作为充电控制电路,所要完成的就是根据电池不同的状态,将功率电路调整于不同的工作状态,完成结电池充电管理的功能。
充电器原理框图如图8所示,输入电源VIN为35V,经DC/DC转换后产生直流电压给电池充电,控制电路通过采样充电电流和电池电压感知电池和充电器的状态,控制充电器的工作。
图8原理框图
充电器实际电路如图9所示,在该电路中,用TI公司的锂电池充电集成电路bq26430完成全部控制功能。
充电器的功率器件主要有功率MOSFET(SIS412DN、SI7617DN)和滤波电感(8.2μH)等元件。
BQ24630是一款高度集成的锂离子或锂聚合物开关模式电池充电器。
该器件提供了一个恒定频率同步开关PWM控制器以及高准确度的充电电流和电压调节。
另外,BQ24630还具有充电预查验、充电终止、适配器电流调节和充电器状态监视功能,主要有以下特点:
•600kHzNMOS/NMOS同步降压型转换器
•针对锂离子电池或锂聚合物电池的独立型充电器支持
•支持多达6节电池(bq24610)并具有5V至28VVCC的输入工作范围
•高达10A的充电电流和适配器电流
图9电池充电电路
6.5.2放电保护电路
由于锂离子电池具有明显的非线性、不一致性和时变特性,因此在应用时需要进行一定的管理。
另外锂电池对充放电的要求很高,当出现过充电、过放电、放电电流过大或电路短路时,会使锂电池温度上升,严重破坏锂电池性能,导致电池寿命缩短。
当锂电池串联使用于动力设备中时,由于各单节锂电池间内部特性的不一致,会导致各节锂电池充、放电的不一致。
一节性能恶化时,整个电池组的行为特征都会受到此电池的限制,降低整体电池组性能。
为使锂电池组能够最大程度地发挥其优越性能,延长使用寿命,必须要对锂电池在充、放电时进行实时监控,提供过压、过流、温度保护和电池间能量均衡。
过放电保护电路如图10所示,当电池电压高于终止电压时,比较器LM293和三极管构成的驱动电路控制场效应管处于导通状态,电池为系统供电;当电池电压达到或者低于终止电压时,比较器输出高电平,三极管Q1、Q3截止,场效应管U3截止,锂离子电池供电电路被断开。
只有等下次系统上电时(即VIN为高时),才能够通过三极管Q2、Q3使场效应管U3导通使电池放电,从而起到了防止锂电池过放电的保护作用。
当电池温度过高时,MCU通过置低Contr控制三极管Q3截止使场效应管U3截止,锂离子电池供电电路被断开。
图10过放电保护电路
6.6输出限制保护模块
当负载级发生故障,导致能源管理系统输出发生短路,这时需要快速关断输出以保护系统安全。
输出限制保护模块通过传感电阻和监测电路对输出电流进行监测,当输出电流超过额定值一定范围时,通过输出开关及时关闭输出,并发出告警,以达到对系统安全保护的目的。
当按下复位开关时,系统才能重新输出。
图11输出限制保护电路
6.7监控单元
监控单元实时监测输入能源管理系统前的电流电压、电池的工作状态以及系统的输出电流电压,并监控电池充放电过程,同时可以将系统状态反馈给上位机。
监控单元由电压传感器,电流传感器,模数转换电路ADC,温度传感器和MCU组成。
监控单元对电池组充放电保护模块以及电池状态进行监控,对电池的有效保护和利用,实现电池组的长寿命正常运行。
系统监控单元对能源管理系统进行全局管理,以实现各部分正常、协调、稳定运行,保护系统的可靠与安全。
监控单元实时监测电池组的电量状态,一旦电量低于标定值,就将发送警告信号,请求能量供应;电池组处于充电状态时,电量一达到标定值,就上传溢出信号,请求停止能量供应。
图13监控单元电路框图
微控制器采用atmel公司的AVR系列单片机ATmega64A,ATmega64A是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega64的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
温度传感器DS18b20,传感器可以实时检测电池的温度,当温度达到要设定最高值时,关断系统的输出。
图14监控单元电路
6.7.1电流检测模块
在能源管理系统中电流检测模块有三部分,系统输入前端的电压电流、电池工作时的输出电压电流以及整个系统的输出电压电流。
系统前途输入电压为21.5V~32.5V/电流3A,电池充放电最大电压是29.2V/电流3A,系统输出电压28V/1A。
目前对电流检测一般有三种常用方法:
1、采用电阻+差分运放。
2、一级电流互感器或两级互感器并联的方式。
3、霍尔电流检测器件。
考虑到检测的电压电流值都不是很大,且在监测中电压电流的精度要求不是很高,所以系统采用第一种方法。
系统的电流检测模块中的采样电阻使用的是10mΩ的锰铜电阻,检测放大器采用MAX4081,MAX4081是一种高侧电流检测放大器,输入电压范围4.5V至76V,非常适合需要严密监视电压电流的系统,MAX4081可进行双向电流检测。
通过MAX4081的单一输出引脚,便可连续监视从充电到放电整个变化过程,无须额外的极性输出。
MAX4081还要求用一个外部基准来设定零电流时的输出电平(VSENSE=0V)。
反映充电电流大小的输出电压范围在VREF与VCC之间,而反映放电电流大小的输出电压在VREF与GND之间。
此组芯片76V的输入电压范围完全与电源电压(VCC)和共模输入电压(VRS+)无关,最大限度地扩大了其应用范围。
由于高侧电流检测不干扰被测负载的地线,使得MAX4081广泛使用。
三档不同增益(5V/V、20V/V、60V/V,分别用后缀F,T,S表示)和用户自选的外部检测电阻相组合,很容易自行设定满量程电流以及与之成正比的输出电压。
系统使用MAX4081S,最大量程60v/v,电流5A,灵敏度为±50mv/v,对应的电压输出是检测值与参考电压的差值,所以可通过选取合适的参考电压得出匹配下一级ADC电压采集的输出电压值。
MAX4081电路应用如下图所示:
图15MAX4081电路应用
ADC模数转换模块采用8通道、16位、电荷再分配、逐次逼近寄存器型模数转换器AD7689,AD7689拥有多通道、低功耗数据采集系统所需的所有组成部分,包括:
无失码的真16位SARADC,用于将输入配置为单端输入、差分输入或双极性输入的8通道低串扰多路复用器;内部低漂移基准源和缓冲器;温度传感器;可选择的单极点滤波器,以及当多通道依次连续采样时非常有用的序列器。
6.7.2电压检测模块
同上面提到,能源管理系统中电压检测模块也有三部分,系统输入前端的电压电流、电池工作时的输出电压电流以及整个系统的输出电压电流。
系统前途输入电压为21.5V~32.5V/电流3A,电池充放电最大电压是29.2V/电流3A,系统输出电压28V/1A。
系统采用的是电阻分压原理,如下图所示:
图16电压分压电路图
如图所示,电压检测模块采用的是电压分压原理,由于检测的电压最大值在35V左右,所以依据计算论证采用分压衰减原理,再通过一级运算放大器进行跟随缓冲,有效防止分压电路失效而致使过高电压直接连接到ADC芯片,导致ADC芯片可能烧毁。
运算放大器的跟随电路更有利于下一级的ADC信号驱动能力。
电压分压电阻采用高精度、低温漂的金属玻璃釉电阻,精度为1%,R1为1KΩ,R2为9KΩ,整个电压分压电路对原信号进行10倍衰减。
ADC模数转换模块采用8通道、16位、电荷再分配、逐次逼近寄存器型模数转换器AD7689。
6.7.3温度检测模块
温度检测模块主要采用的是DS18b20温度检测器件,独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
测温范围-55℃~+125℃,固有测温分辨率0.5℃。
在使用中不需要任何外围元件。
测量结果以9~12位数字量方式串行传送
6.8结构设计
结构形式
材料与工艺
机箱的壳体采用2mm厚的钢板冲制焊接而成。
各连接部分充分考虑搭接,因而整个机箱具有导电、导热性能好等特点。
机箱壳体表面喷涂涂敷层,内部插箱部件表面也进行相应的表面处理,从而进一步保证机箱的热设计指标。
整个机箱体积不大,重量适中,加工费用中等。
机箱面板布局及特点机箱面板器件按易于观察、操作方便以及信息流程进行布局,分成5块:
即天线光接口区、用户光接口区、显示区、EDFA接口区以及控制区,各区块配以相应的简明文字说明,操作人员可以准确、方便地使用设备。
机箱面板布局示意图见图9。
6.8电、机械、热接口设计
6.8.1电接口设计
能源管理系统主要包括:
能源补充接口,电源输出接口,通信接口。
6.8.2机械接口设计
根据部件及设备空间环境模拟鉴定试验条件的要求,为了适应加速度、振动、冲击等力学环境,要求结构设计的强度、刚度、安全裕度和辐射保护满足XXX设计和建造规范的要求,并能顺利通过各项验收级试验,机壳采用铝合金材料,机壳厚度选用2.5mm的铝合金材料2A12-Hll2。
6.8.3热接口设计
机壳表面(除底板外)进行了黑色阳极氧化处理,半球发射率εH≥0.85。
6.9可靠性、安全性设计
6.9.1可靠性设计
能源管理系统在可靠性设计过程中,坚持以下原则,确保产品的可靠性。
优化方案设计、简化电路是提高可靠性的有效措施。
在设计中,尽力简化系统配置,减少硬件的数量和规模,提高可靠性。
能源管理系统设计所采用的机械结构、模数转换电路、通信电路、电平转换电路都采用成熟技术。
在设计中,充分考虑了产品的“三化”设计。
能源管理系统集成电路分为进口器件和国产器件两类,进口器件根据MIL--HDBK--217P标准预计,国产器件根据GB/Z299B-98电子设备可靠性预计手册预计,阻容件、半导体分立器件根据GB/Z299B-98电子设备可靠性预计手册预计。
6.9.2安全性设计
能源管理系统用电电压较低,不会给操作人员造成危险。
能源管理系统的电输入输出端都设有电源限流滤波电路,防止了电源短路。
6.10电磁兼容性设计
根据电磁兼容性设计要求,星载设备在设计中要重点考虑两个问题,即对本设备干扰源的控制和提高自身抗干扰能力,使各设备间有良好的电磁兼容性。
6.10.1控制自身干扰
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