工程師黃明星 發表於 2018-06-14 08:26:00
隨著計算機應用的日益普及和全球信息網絡化的發展，對高質量供電設備的需求越來越大，不間斷電源（UPS）正是為了滿足這種情況而發展起來的電力電子設備。UPS在保證不問斷供電的同時，還能提供穩壓、穩頻和波形失真度小的高質量正弦波電源，目前在計算機網絡系統、郵電通信、銀行證券、電力系統、工業控制、醫療等領域得到了廣泛的應用。微機控制的不間斷電源具有兩大優點：簡化硬體電路，降低成本；軟體設計靈活，功能容易擴展，可方便的對軟體進行修改完成不同的控制思想。
微機控制技術應用於不間斷電源，主要體現在單片機系統上，單片機產生PWM脈衝信號放大後驅動逆變器的開關。而單片機抗幹擾的能力不夠強，如果抗幹擾的措施不當，不但無法體現上述優點，還有可能降低系統的可靠性，甚至無法工作。
本文結合UPS的工作原理，從幹擾的類型及採取相應的措施來說明抗幹擾技術在UPS中的應用。
1 結構框圖及工作原理 1．1 結構框圖根據工作方式，UPS分為後備式和在線式兩大類。
UPS的基本結構圖見圖l、圖2所示，它由充電電路、蓄電池、升壓電路、逆變電路，切換開關、自動電壓調節等部分組成。
1．2 基本工作原理
後備式UPS：當市電在規定電壓範圍內正常供電時，輸入電壓經自動電壓調節環節稍許濾波，排除一些幹擾後，直接輸出供給負載。而當市電異常，超出規定範圍時，UPS啟動逆變器，將後備的電池電壓變換成等價於正常市電時的電壓值再輸出給負載，其基本拓撲結構如圖1所示。此種UPS的優點是可靠性較高，結構相對較簡單，效率較高，價格也便宜。但由於經逆變後大都是方波或類方波波形，故供電質量稍差，加之市電異常時需啟動逆變器由電池供電，有一定的切換時間。
在線式UPS：又稱為雙變換式UPS，即從市電輸入到UPS輸出經過了AC／DC和DC／AC兩次變換，其基本拓撲結構如圖2所示。在市電正常情況下，UPS輸入電壓經整流、濾波等電路變成直流電壓，然後經逆變器將直流電壓變成負載需要的交流電壓。當市電異常時，輸入自動切換到蓄電池上，由蓄電池供電，經逆變器後輸出交流電壓給負載。此種UPS顯然在電路上比後備式UPS要複雜得多，由於採用二次變換，大大改善了負載的供電質量。但其逆變器一直處於工作狀態，對逆變器的可靠性和使用壽命提出了較高的要求，由此而產生在線式UPS比後備式UPS價格高很多。
2 幹擾的類型與來源單片機控制的UPS系統中的幹擾，一般指各種外部和內部的幹擾源產生的各種瞬變電信號，通過一定的途徑傳入到系統中，或者內部的互相干擾，對系統的正常運行造成一定程度的影響。它的幹擾主要有以下幾個方面：
2．1 來自電網的幹擾UPS作為一種經過淨化處理，向負載提供高質量的電源系統，它的輸入是諧波複雜的工頻電源。電網中存在大量的諧波源如各種整流設備，電子電壓調整設備，非線性負載及照明負載。
2．2 交變磁場的幹擾在大功率變壓器及大電流通過的電線的周圍都有較強的交變磁場。
在UPS內部，交變磁場主要有：
（1）逆變器產生的電磁幹擾工作時，逆變器的功率管始終處於開關狀態，為了降低其上的功率損耗，開關過渡時間不能太長，即di／dt不能太小，否則開關過熱容易燒毀。但過大容易引起電路產生寄生振蕩，產生的噪音幹擾比如諧波電流、高頻毛刺對設備不利。
（2）高頻變壓器產生的幹擾高頻變壓器存在漏感，在開關管由導通剛剛變為截至時，變壓器原邊漏感和引線電感上貯存的能量無處釋放，將會給開關管等效的輸出電容充電，由於這個等效電容很小，所以會衝得比較高的電壓尖峰。
此類幹擾對控制系統的破壞性最強。
2．3 不等電位幹擾在工業生產中的用電設備，如果絕緣性能不良，會對地產生不穩定的漏電流；利用大地作為輸電線的電氣接地線，也會產生較大的地電流。如果在控制系統設備接地安裝中，地點選擇不當，漏電流或地電流會使系統中的各點存在電位差，使系統常常產生不確定的故障。
2．4 自然幹擾自然幹擾是指大氣層發生的自然現象所引起的幹擾，以及來自宇宙的電磁波輻射幹擾，如雷電、大氣低層電場的變化、電離層變化及太陽黑子的電磁波輻射等，其中雷電幹擾最為嚴重。雷電不僅會造成迴路的強幹擾，還會燒毀輸入模塊。
2．5 溫度、溼度及腐蝕性介質對可靠性的影響不同檔次的元器件都有其特定的工作溫度範圍，使用時應以各廠家的資料為準，根據情況選用高一檔次的產品。
環境潮溼或含有腐蝕性氣體，會對元器件及線路板造成較大影響。如果系統長期工作在這種環境中，會使印製電路板腐蝕，造成斷路，使接插件和IC插座氧化、鏽蝕，造成接觸不良，影響系統的可靠性；因此，應儘量保持環境乾燥，並儘量少用接插件及IC插座，採用直接焊接的方法互連；各種連接器應採用鍍金或其他防腐處理的接插件。
3 系統的抗幹擾措施為了提高UPS的抗幹擾能力，主要從兩個方面入手，即從硬體和軟體分別考慮：既要去除或者降低幹擾源的幹擾能力，又要提高系統本身的抗幹擾能力。
3．1 硬體抗幹擾 （1）交流進線濾波器為了滿足有關的電磁幹擾（EMI）標準，防止UPS產生的噪音進入電網，或者防止電網的噪聲進入UPS電源內部，幹擾系統的正常工作，必須在不間斷電源的輸入端施加EMI濾波器。該濾波器能同時抑制共模和差模幹擾信號。
（2）啟動浪湧電流抑制電路開啟電源時，由於UPS的整流電路會給濾波電容充電，會產生很大的浪湧電流，其大小取決於啟動時的交流電壓的相位和輸入濾波器的阻抗。抑制啟動浪湧電流的最簡單的方法是在整流橋的直流側和濾波電容之間串聯具有負溫度係數的熱敏電阻。啟動時電阻處於冷態，呈現較大的的電阻，從而抑制啟動電流。啟動後，電阻溫度升高，阻值降低，以保證電源有較高的效率。對於大功率的電路，將上述熱敏電阻換成普通電阻，同時在電阻兩端並聯晶閘管開關，電源啟動時晶閘管開關關斷，由電阻限制啟動浪湧電流，當濾波電容的充電完成後，觸發晶閘管，使之導通，達到短路限流電阻的目的。
（3）有源功率因數校正技術抑制諧波的傳統方法是採用無源校正技術，但無源校正目前一般用於抑制高次諧波，如需進一步抑制裝置的低次諧波，提高裝置的功率因數，目前大多採用有源功率因數校正技術。有源功率因數校正技術就是在傳統的整流電路中加入有源開關，通過控制有源開關的通斷來強迫輸入電流跟隨輸入電壓的變化，從而獲得接近正弦波的輸入電流和接近1的功率因數。
（4）採用軟開關技術電力電子開關在其端電壓不為零時開通和在其電流不為零時關斷統稱為硬開關。硬開關時，開關器件會承受大功率，發熱嚴重，降低器件壽命，並且產生嚴重的電磁幹擾。如果採取一些措施，改變電路結構和控制策略，使開關零電壓開通和零電流關斷，即採用軟開關技術可以大幅度提高UPS性能。
（5）正確、良好的接地電源線及接地線的粗細對系統的可靠性有很大的影響。如果地線太細，將不能為系統提供足夠的電流，電源線、地線的電阻也會增大，電流流過電源線，在電源線上形成較大的壓降，影響正常工作。
電源線、地線應儘可能短。如果線過長，電流流過時產生壓降，外部的幹擾信號可能耦合到電源線上，避免與大電流的控制信號近距離、平行的走線，以免產生很大的幹擾。
（6）模塊化設計模塊化設計的好處在於：
減少各部分之間的相互關聯與耦合，避免或減輕彼此間的相互幹擾；
便於故障定位，便於快速修復，提高系統的可靠性。
（7）隔離與緩衝輸入輸出通道是外部幹擾信號傳入系統的一種途徑。對交流信號可採取變壓器隔離；對直流信號採用光電耦合器件進行隔離。使外部的輸入輸出通道與控制部件在電氣連接上相互隔離，阻斷外部幹擾信號進入控制系統。
（8）器件的優化由於UPS一般為連續工作狀態，因此要反覆篩選對比，杜絕因為器件本身導致系統失敗。
（9）印製電路板的抗幹擾印製板應遵循大面積接地、分級屏蔽、大信號、高阻抗電路走短線等原則。
3．2 軟體抗幹擾按來源不同，軟體幹擾類型主要分為兩大類：一類是輸入輸出通道受到幹擾，使系統不能準確控制；另一類是程序在執行過程中，程序受到幹擾而跑飛。在設計系統時採用：
（1）系統上電自診斷在系統冷啟動時，首先進行CPU、RAM等自檢。如果發現異常，則報告錯誤並等待修復，避免帶病工作。
自檢一般有以下方法：
上電自檢；定時自檢；鍵控自檢。
（2）使用監控定時器即看門狗技術監控定時器是當系統軟體受到幹擾時偏離了預定的路徑運行的監控電路使系統復位。大多數單片機系統都設置監控定時器電路。
（3）設置軟體陷阱在程序區的斷層，以NOP指令填空，以保證因幹擾而造成彈飛的程序儘快步入正常運行軌道。用一條強跳轉引導指令強行將捕獲的程序引向一個指定地址。在它前面還加2條NOP指令。
（4）在所有未使用的中斷入口，均以RETI指令填充。 4 結論不間斷電源是強電信號與弱電信號交叉的系統，存在著各種各樣的幹擾。如果系統沒有足夠強的抗幹擾能力，即使總體設計，硬體設計，軟體設計都合理也不能完全保證系統很好的工作。實際系統幹擾複雜，需要在實踐中不斷積累經驗。只有這樣，才能設計更佳的電路。
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