UPS的原理与设计2

1第二部分设计篇UPS的设计流程R&D是什么？researchanddevelopment研究发展，这个题目范围就太大了；在本文中我们只谈UPS产品设计，不以追求深奥的学术理论为目标，而是给电源工程师讲授一套实用的设计方法。简单地说，就是从客户的spec.开始，设计方案、选择topology、绘制原理图（包含计算元件的参数和运用电子CAD软件，如PCAD2002画出符合电气规范的、美观工整的线路图来）、设计/计算磁性元件、PCBLayout（PCBLayout时就要全面考虑结构，Safety&EMC）、制作调试样机、验证测试（包括最终用户的试用确认），直到编写设计文档资料完成。整个流程中的每个环节都有可能因为后续的NG不合格而反复多次。[16]图2-1-1UPS设计流程图图2-1-2绘制原理图部分Spec.设计方案选择拓扑绘制原理图计算磁性元件PCBLayout制作调试样机验证测试编写设计文档TheEnd!黑箱计算输入整流滤波的设计功率开关和驱动电路设计控制器设计输出反馈设计启动电路设计保护电路设计高层功能设计Pause!输出整流滤波的设计21.客户的specifications—首先，一定要弄清楚最终用户对UPS的真实需求。用户的电网环境怎样（电压是偏高还是偏低），是否有备用发电机组（发电时的频率范围可能多大），需要的UPS是off-line还是on-line机器。负载允许UPS的供电切换时间是多少，GB/T14715-93信息技术设备用不间断电源通用技术条件5.1切换时间＜10ms旁路开关切换时间＜5ms。当然，大家在UPS和逆变器厂家的商业广告词中经常看到或听到“零切换时间”，事实上在后备式UPS电源中怎么可能呢？那怕就是on-line机器，所谓的零切换时间也仅仅是指LineMode、BatteryMode的切换而已，若是转bypass切换时间那也是不可能为零的。要求电池模式的备用时间是多长（UPS标准一般是5～10minutes），此时又是在多大负载下给出的；虽然一般是指满载allload情况，但用户的实际负载情况却多数不是这样。大多数情况，公司的RD都会和客户详细讨论规格书，最终形成双方签名认可的书面的spec.要注意的一种情况是，当R&Ddesigner设计工程师发现客户的spec.不合理时，先是说服引导客户制定更合理的规格；如若不行，只要不是原则问题，还是应该customerfirst。作为一个设计者，在开始设计以前，必须将自己的疑问提出来。问题越早被提出来，越有利于后面的设计。maybe需要辩析以下问题：①UPS的工作环境有无特殊要求？包括温湿度范围（一般0～40℃30～90%）、污染等级、振动以及其他的物理条件。②需要提供给load何种形式的UPS，工频机or高频机？对应每种方法，都有哪些不利的工作条件。③市场或客户要求必须满足何种安规和EMI/RFI标准？这不仅影响电气方面的设计，还会影响结构设计。④必须适应的负载PF范围怎样？负载电流是否存在冲击性的特征，例如发电机、视频监视器、脉冲负载等。⑤UPS的各部分电路是否需要以一定的先后顺序投入运行？⑥可靠性要求有多高？对于MTBF要求很高的场合或许我们要采用并机冗余的方式。⑦UPS的维护要求是什么？这将决定采取何种保护措施和结构设计，以满足维护要求。下面我们看看CentralionProductSpecificationLC1SeriesforRiello有何不妥？TableofContents1.0Scope2.0GeneralFunctionalDescription3.0PartNumbers4.0Models5.0Electrical5.1Input5.2Output6.0Network/TelTransientProtection7.0UserInterface7.1Communication7.2Protocol8.0Battery/BatteryModules8.1Batteries9.0RegulatoryStandardsandRequirements9.1SafetyCertifications9.2EMCCertifications10.0Environmental10.1Temperature10.2Humidity11.0ProductReliability11.1Size11.2MaterialandColor11.3PackingandShipping11.4AcousticNoiseEmissions实际内容为11.0Mechanicalrequirements12.0Firmware13.0Buzzer14.0ProductReliability实际内容为14ComponentsAllthecomponentsmustbeusedinsidethecharacteristicsgivenfromtheproducer15.0ERIALNUMBER(MAT)SPECIFICATIONS16.0BarCode可以看出，规格书中Reliability是含糊不清的，下面我们就来谈谈可靠性。可靠性是后备式3UPS的Ⅰ类指标要求，[17]随着计算机及网络技术在信息处理、工业生产及自动控制领域的发展，人们已经从简单的对UPS可靠性指标的追求改变为更高层次上的对UPS可用性指标的追求。什么是可靠性？可靠性的经典定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。连续使用的可修复的UPS的常用可靠性指标有平均无故障时间MTBF、平均修复时间MTTR等。[5]MTTF(MeanTimeToFailure)fornon-repairableproduct/不可修复的产品用MTTF，不可修复的元器件才用失效率这个可靠性指标。MTBF(MeanTimeBetweenFailures)平均无故障时间越大越好，用两种方法计算：用所用元器件的可靠性和电路结构的可靠性等效电路计算，用批量整机投入运行（或在实验室模拟运行）的故障数据统计计算。θ=T/R，θ=MTBFT=totaltimeR=numberoffailures。MTTR(MeanTimeBetweenRepair)平均修复时间是指在某一个阶段中出现故障的次数N和为了排除这些故障而花掉的时间T(h)之比，即MTTR=T/N。YD/T1095-20004.9可靠性要求UPS设备在正常使用条件下，平均无故障间隔时间MTBF应不小于100000h（不含蓄电池）。GB/T14715-93信息技术设备用不间断电源通用技术条件5.6可靠性用平均无故障工作时间（MTBF）的不可接收值m1作为衡量产品可靠性水平的指标，其数值应不低于3000h。显然，我们应该用MTBF作为reliability的指标。X/Y-QAW-89MTBF计算作业规范提到我司有可靠度预计软件RelCalc。可靠性设计包括选用高可靠的元器件derating，设计更优的UPS拓扑架构delta，采用并机冗余技术，UPS的制造工艺也是影响可靠性的重要因素。2.设计方案—何谓方案？方案设计在整个设计流程中处于什么地位呢？方案就是在售价或利润一定的条件下对产品的总体设计思想，Itisaidea.方案它包括UPS的电气架构确定、PCB的可能布局、体积重量的控制、PWM芯片或MCU的选用、大体机构的设计、软硬件的接口，甚至就连软体准备用什么语言编程、分成哪几个模块都应有所考量。方案就是产品设计的方向，显而易见若方向都错了，将是一个怎样的后果呢？一是产品就设计不出来嘛，不能结案；二是就算结了案，但可靠性较差，首批量产直通率很低或者后续大批量进入market客户抱怨一大堆（事实上，有些问题或许客户没发现或许我们并没有收到客户的抱怨）；第三个可能性是UPS设计出来啦，可靠性也还不错，但是cost却比“高手”设计的over。方案设计者是一个知识面较宽的复合型人才，而且必须有多年设计经验的累积，他（她）就是我们现在正推的IPD中所讲的系统工程师。有些公司是由PM项目经理担当。影响这个阶段设计的主要因素是：成本，重量和尺寸，在UPS内部会有多少热量产生，输入电源特性，负载的噪声容限，电池寿命，需要输出电压的组数（SPSDC输出时才常见）及输出特性，产品投向市场的时间。只有综合考虑上面提及的各种因素，权衡利弊，才能决定满足最终产品需要的最优技术。线性电源、PWM开关电源、谐振开关电源、准谐振开关电源技术均已成功地应用到电源行业一定的产品领域。表2-1-1比较了各种电源技术的特点：表2-1-1四种电源技术的比较线性变换PWM开关变换谐振开关变换准谐振开关变换成本低①高高最高重量高中偏低最低低EMI/RFI无高低居中效率35%～50%70%～85%≥95%78%～92%多路输出无有有有开发周期一个星期8个人工月②12个人工月②10个人工月②①随着世界范围的铜、铁矿石、铝等金属材料价格的飞涨，线性变换器的成本需要评估。②至少三年以上的电源设计经验和必需仪器设备。43.选择topology—设计UPS时，主要考虑的是采用何种基本拓扑。非隔离型变换器经典拓扑电路有buck降压、boost升压两种，隔离型变换器经典拓扑电路有五种：flyback单端反激式、forward单端正激式、push-pull推挽式、half-bridge半桥式、bridge全桥式，其它还有双反激、双正激、不对称半桥等等。若再算上improved改进的或者像诸多论文题目中的“一种新型的……”topology，则maybe拓扑有数百种都不止。要选择topology，ofcourse我们就必须先要弄清楚每种topology的架构、优缺点和大概适应的功率范围。Flyback,Push-pull&Bridge原理篇已讲过了。3.1buck降压变换器电路图2-1-3Buck变换器工作原理[11]当Q1驱动信号V1为低电平时，晶体管导通；此时二极管D1承受反向电压，二极管截止。Is=IL流过电感线圈，在电感未饱和前，电流线性增加，在负载RL上流过电流Io，输出电压Vo。V1为高电平时，晶体管截止；这时二极管D1承受正向电压导通，为电流IL构成通路，故称D1为续流二极管。Vo=Vin×Duty3.2boost升压变换器电路图2-1-4Boost变换器工作原理当Q1驱动信号V1为高电平时，晶体管导通，电流IL流过电感线圈L，在电感未饱和前，电流线性增加，电能以磁能形式储在电感线圈L中。此时，电容C放电，负载RL为输出电压Vo。V1为低电平时，晶体管截止，由于电感L中的磁场将改变L两端的电压极性，以企图保持IL不变。这样电感L磁能转化成的电压VL与输入电源Vin串联，以高于Vo电压向电容C、负载RL供电。高于Vo时，电容有充电电流；等于Vo时，充电电流为零；当Vo有降低趋势时，电容向负载RL放电，维持Vo不变。Vo=DutyVin153.3forward单端正激式变换器电路图2-1-5Forward变换器工作原理当Q1导通时，在变压器的初级产生了电流，并储存了能量。由于变压器的次级极性与初级同相，所以这个能量也传递到了变压器次级，通过处在正向偏压的二极管D2，把能量储存到了电感L中。此时，二极管D3是反向偏压，为截止状态。当MOSFETQ1截止时，二极管D2是反向偏压，变压器绕组中的电压反向，续流二极管D3处于正向偏压，在输出回路中，储存在电感中的能量通过电感L继续传递给负载RL。变压器的第三绕组称为箝位绕组（或回授绕组），它与二极管D1串联，其作用是用来限制MOSFETD-S的电压尖峰。在MOSFET截止时，还能使高频变压器的磁通复位。Ic=nIl=max2VinPout≈VinPout2.6，假设效率η=0.80δmax=40%。Forward的优点：电路结构相对简单。缺点：变压器同样只利用第一象限，利用率低。适用的输出功率范围约100～200W，但在要求较高的辅助电源中，如要求电源内阻小、EMI干扰小的场合，虽然仅仅30～50W也有用forwardtopology；现在市面上采用双正激拓扑做