智能化在線式UPS的設計

摘要：隨著通信技術的飛速發展，要求網絡暢通高速，據有關的計算機網絡運行統計：由於電源質量不高而引起的伺服器系統癱瘓的機率為80%，數據出錯和丟失的機率為45%，網絡癱瘓的機率為34%，這些數據表明為網絡設備提供可靠的高質量的電源顯得越發重要了。科華公司在多年專業製造KELONG牌UPS的基礎上，推出其在線式智能型正弦波輸出UPS（不間斷電源系統），可以有效解決上述電源引發的問題。

關鍵詞：在線控制、UPS、MCU、監控軟體

概括說來，現代UPS的發展方向是高頻化，小型化和智能化，近年來，科華公司採用最先進的電力電子器件和國際流行的PFC及高頻技術，實現了中小功率UPS高頻化和小型化的目標。隨後使用MCU（單片機）開發一系列新產品，使UPS實現智能化，即電池管理的智能化，人機界面的智能化(遠程LCD面板)，UPS管理網絡化，包括POWERSOFT電源監控軟體和UNMS-1 UPS網絡管理系統（國家火炬計劃項目）。

對UPS製造商而言，實現UPS智能化可以大幅度提高生產效率。比如，以往UPS調試時需要調節許多電位器和測量多個工作點電壓和頻率，而採用智能化設計後，只需調節少許電位器，其他參數則通過UPS調試軟體界面進行參數設置，由於採用數字處理技術，不存在原來模擬電路的易受環境影響產生的工作點漂移，不存在產品的分散性，即成批產品的一致性很好。

採用MCU設計，以軟體代替硬體，電路板的面積和功耗明顯的小了，這樣對系統可靠性無疑是有好處的。同時，由於現代的MCU的程序存儲器均有加密技術，可以防止非法拷貝，保護智慧財產權。另外，如果UPS的軟體系統設計相對完善，其故障自檢功能較強，則可以為安裝維護人員提供方便，節省費用和工時。以下為針對在線式智能UPS的幾個設計方案。

1. 基於傳統UPS主控制板的原理

由PLD+MCU實現原模擬電路實現的功能，輸出電壓動態反饋和I/O相位同步部分將沿用原成熟線路，在基準正弦波合成方面將用一隻廉價的PLD器件代換原來由多個計數器、加法器等的實現功能。MCU控制系統可以採用廉價的ATMEL89C52和一隻10位11路A/D轉換晶片TLC1543及一片XICOR公司的監控+串行EEPROM 晶片X25045組成，可以實現完成輸出電壓的調整、電池的智能管理、重要器件的在線檢測。但是不參與同步控制，在與上位機的通信及生產調試和面板功能方面MCU實現將比原來設計成本低、功能強，實現該方案可以在較少的時間完成。

2. 基於單晶片的實現方案

由一塊功能強大的MCU完成人機界面、通信、輸入輸出同步、輸出電壓PID調節、各種故障判斷和自診斷功能，該實現方案可以採用引腳多的Intel 87C196MC或Motorola MC68HC11K4，但是該方案成本較高；開發難度和測試工作量大，如果要幾個工程師並行開發，要求項目系統分析員分析能力較強，項目經理能協調各個項目組員無縫協作，軟體代碼結構化要求高。這種方案實現後可節省電路面積、採購及生產很方便。

3. 基於雙MCU的實現方案

作者認為此方案最適合目前我國工程師的開發水平，系統具有最大的靈活性和成本的最小化。
基本想法是由1隻管理MCU（mMCU）和一隻控制MCU（cMCU）組成。其中mMCU負責人機界面（面板、通信、調試、故障診斷），要求晶片為FLASH（快閃記憶體）形式，單片機系統可以用C語言寫代碼，具備電壓監控和復位功能。這款晶片使用Atmel或Philips的89C5X系列（成本為每隻低於20元），80C51系列MCU已是業界標準，開發工具及參考資料國內都非常完善，可以由一般的MCU設計人員完成。如果UPS用戶提出一些特殊要求，如開關機時序或故障告警特定提示，可以通過ISP方法來解決，軟體更改升級非常方便。

cMCU則負責UPS的I/O同步、逆變器驅動、輸出電壓穩壓PID調節、過流保護、實時採樣和整流器驅動等實時控制。在實驗做過後可將MCU掩膜，以降低晶片成本，以後的設計可以將其嵌入任何UPS，作為標準模塊使用。這項工作應由專業經驗豐富的工程師完成，其難度大，要求高。

由於UPS自身情況（不斷電）比較特殊，cMCU不能使用WDT（看門狗監控電路），而mMCU不涉及實時控制，晶片受幹擾程序出錯後，可以利用WDT或非法指令或非法地址復位來得到解決。它能監督cMCU的運行狀態，一旦發現控制異常，可以馬上對系統作補救措施，防止造成惡果。

2晶片方案可以為控制系統分散風險。我們可以選擇容量小、速度快的廉價MCU進行設計，估計可以選到價格小於30元的晶片。

以上分析表明，採用第3種方案設計UPS將是適合國內廠商的最合理方法，無論從原材料成本，開發難度，軟體升級方便性和系統可靠性方面都優於另外2種方案。對於其他行業，如果設備同時涉及實時控制和非實時管理，則採用雙晶片或多晶片方案（晶片間通過CAN總線或SPI或較慢的RS485總線通信）不失為一種可取的方案。