一种不间断电源的制作方法

1.本技术涉及电源领域，尤其涉及一种不间断电源。


背景技术：

2.在许多工业、商业、航空、军用等领域，完成数据采集、状态监测、计算与控制等功能的硬件设备，通常是由多种物理零件构成的，例如一台计算设备可能包括的物理零件有主板、总线、电源、硬盘、存储控制器以及内置存储器等。为了节约成本和方便维修，可将这些物理零件设计为现场可更换单元(field replace unit，简称fru)，当硬件设备中某个fru出现故障时，直接对其进行更换即可。
3.此外，硬件设备在供电方面一般还有电源不间断的需求，以保证在外界电源异常断电时，设备可以进行数据存储或备份、系统状态记录、发出报警提示等操作。通常由不间断电源(ups)来满足硬件设备的交流输入电源不间断需求。如图1所示，现有的ups系统一般由四部分组成：整流、储能、逆变、开关控制。ac-dc电源转换器将电网来的交流电经全波整流、滤波变为直流电压，供给逆变器。dc-ac逆变器通常采用大功率igbt模块全桥逆变电路，具有很大的功率富余量，在输出动态范围内输出阻抗特别小，具有快速响应特性。由于采用高频调制限流技术、快速短路保护技术，使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路，均可安全可靠地工作。控制器是完成整机功能控制的核心，它除了提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号外，还完成spwm正弦脉宽调制的控制，由于采用静态和动态双重电压反馈，极大地改善了逆变器的动态特性和稳定性。现有的储蓄装置是由蓄电池组组成，内部绝大部分选用铅酸蓄电池串联而成，存储转换后的能量，同时能通过电池管理系统(bms)将采集的电压、电流信号传给控制器，通过控制器处理后进而显示在屏幕上；当市电断开，控制器收到信号后，由控制器发送启动信号，将静态开关切换至蓄电池组输出，继续为负载供电。
4.当市电正常时，直流主回路有直流电压，供给dc-ac交流逆变器，输出稳定的交流电压，同时市电对电池充电。当任何时候市电欠压或突然掉电，则由蓄电池组通过隔离二极管开关向直流回路馈送电能。从电网供电到电池供电没有切换时间。当电池能量即将耗尽时，不间断电源发出声光报警，并在电池放电下限点停止逆变器工作。不间断电源还有过载保护功能，当发生过载时，此时前面空气开关也可能跳闸。消除故障后，只要合上开关，重新开机即开始恢复工作。
5.传统ups适用于两种情况，一种是要求“电源不间断”的时间足够长，例如在交流电源停电几小时的情况下，一直维持给硬件设备供电，总的供电电量达到若干kwh。另外一种是要求“电源不间断”时间较短，但需要供电的设备较多，功率较大，例如在大型机房中，大量硬件设备的总功率达到几百kw，10分钟时间内的供电电量可能达到了几十kwh。
6.通过在交流供电处使用ups可满足传统的电源不间断的需求，但传统“不间断电源”存在诸多缺点及不足：
7.1)传统立式(塔式)结构必须要拥有宽阔的散热通道、大尺寸大功率的散热风扇，
从而才能满足发热散热的问题；
8.2)ups模块功率受限于体积的大小及器件发热后的散热问题；
9.3)储能装置选用的是蓄电池组，该装置对温度的要求极高，一般是 5℃～ 40℃，如果温度过低会使电池的容量下降，如果温度过高则会影响电池的使用寿命。而且，电池组电压很高，存在电击的危险，增加了日后维护、更换的难度系数；
10.4)当一部分负载接通或断开时，都会使负载产生阶跃变化，但是ups不能瞬时更正这种突然变化的电流，很容易损坏设备造成人员财产的损失。
11.众所周知，“电源不间断”不是说永远不间断，而是说在突然断电的情况下，有足够的时间允许计算设备存储数据、正常关机。使用ups的方式对于大型机房、有很多设备、供电容量比较大的场合来说比较合适。但对于分布式使用的机箱，功率不高，硬件设备的功率只有几百瓦，对“电源不间断”的要求也只有几十秒到几分钟，由于传统ups的体积大等缺点，此时使用ups就不合适了。因而需要提供一种适用于分布式应用场合的不间断电源。


技术实现要素：

12.为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种不间断电源，其尺寸小、维护方便，可适用于功率不高的分布式应用场合。
13.根据一方面，提供一种不间断电源，其包括电源模块、超级电容及至少一路供电输出端口，所述电源模块包括ac-dc主电路子模块、ac-dc控制子模块及控制电源子模块；所述ac-dc主电路子模块包括依次连接的整流及功率因数校正单元、高频逆变单元、谐振腔及变压器单元及高频整流单元；其中
14.所述整流及功率因数校正单元用于对交流输入电压进行整流及对交流输入电流进行正弦化控制，输出直流母线电压；
15.所述高频逆变单元用于将直流母线电压变换为高频方波；
16.所述谐振腔及变压器单元用于使得所述高频逆变单元的功率mosfet工作于零电压开关状态及使得所述变压器的副边整流桥二极管处于零电流开关状态，对所述高频方波进行降压变换而在变压器副边获得同频率的高频方波输出；
17.所述高频整流单元用于对所述高频方波输出进行整流，获得直流电压输出；
18.所述ac-dc控制子模块用于进行功率因数校正和直流电压输出稳压的闭环控制，生成所述功率mosfet所需的开关驱动信号；
19.所述控制电源子模块用于为所述ac-dc控制子模块中的各个集成电路芯片提供工作电源；
20.所述直流电压输出连接到所述超级电容及所述至少一路供电输出端口。
21.按照本发明，通过选用性能优于电池的超级电容作为储能装置，本发明的不间断电源的体积比传统ups小得多，可方便地适用于功率较低的分布式应用场合。
22.结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其它特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
23.图1为现有技术ups的工作原理示意图；
24.图2为根据本发明的不间断电源的一实施例的电路框图；
25.图3为图2实施例的不间断电源的工作流程及状态转移示意图。
26.为清晰起见，这些附图均为示意性及简化的图，它们只给出了对于理解本发明所必要的细节，而省略其他细节。
具体实施方式
27.下面参照附图对本发明的实施方式和实施例进行详细说明。
28.通过下面给出的详细描述，本发明的适用范围将显而易见。然而，应当理解，在详细描述和具体例子表明本发明优选实施例的同时，它们仅为说明目的给出。
29.图2示出了根据本发明的不间断电源的一实施例的电路框图。在该实施例中，不间断电源包括连接器，该电源还包括设置在智能电源板上的输入emc单元、(ac-dc)电源模块、输出滤波单元和超级电容以及设置在主控板上的单片机控制模块。
30.连接器用于实现智能电源板与底板的对插连接，为智能电源板提供ac220v输入电源，将a、b、c三路12v输出引至背板以提供给各个板卡，接收开机信号，并完成与主控板的逻辑和通信连接。
31.输入emc单元用于根据gjb151a-97《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》和gjb1389a-2005《系统电磁兼容性要求》的相关规定，对输入电源进行emc处理，包括防浪涌、防雷、共模滤波等环节，并对智能电源板产生的emi进行抑制。
32.电源模块用于实现从交流220v输入到直流12v输出的隔离型变换，其包括ac-dc主电路子模块、ac-dc控制子模块及控制电源子模块。
33.ac-dc主电路子模块用于完成从ac220v到dc 12v的功率变换功能，其包括依次连接的整流及功率因数校正(pfc)单元、高频逆变单元、谐振腔及变压器单元和高频整流单元。ac-dc主电路子模块还包括直流母线电容单元、输出电容单元、隔离驱动单元。
34.整流及pfc单元通过单相整流桥将交流220v输入整流为馒头波式电压，再采用例如升压式有源功率因数校正(apfc)技术，对交流输入电流进行正弦化控制，输出直流母线电压。apfc技术可以提高智能电源板的输入侧功率因数，降低输入电流谐波，以满足电磁兼容性指标要求。
35.直流母线电容连接到整流及pfc单元的输出，为直流母线电压提供支撑功能，滤除apfc过程中产生的纹波电流，稳定直流母线电压。
36.高频逆变单元通过半桥式功率mosfet的交替调制，将直流母线电压变换为高频方波，以便通过变压器原边向副边传递能量。
37.谐振腔及变压器单元(dc-dc变换器)采用llc谐振变换技术，在高频逆变单元产生的高频方波和变压器之间插入llc谐振腔，可以保证高频逆变单元的功率mosfet工作于零电压开关状态以及变压器副边整流桥二极管的零电流开关状态，从而降低器件的开关损耗，提高电能变换效率和开关频率，减小磁性器件体积。变压器将原边获得的高频方波进行相应比例的降压变换，在副边获得同频率的高频方波输出。
38.高频整流单元例如采用超快恢复二极管(frd)对变压器副边输出的高频方波进行整流，获得直流电压输出。
39.输出电容单元连接到高频整流单元的输出，为直流输出电压提供支撑功能，滤除
高频变换过程中产生的纹波电流，稳定直流输出电压。
40.隔离驱动单元对来自于ac-dc控制子模块的开关驱动信号进行隔离，并提供相应的驱动功率，驱动功率mosfet工作于高频开关状态，完成apfc和高频逆变功能。
41.ac-dc控制子模块用于完成apfc和输出稳压的闭环控制功能，生成功率mosfet所需的开关驱动信号。在实施例中，ac-dc控制子模块包括下述单元：
[0042]-逆变控制单元，用于根据ac-dc主电路子模块中谐振腔的谐振频率参数，产生两路开关驱动脉冲。这两路开关驱动脉冲的频率与谐振频率相等，占空比分别为50％，两路信号的相位差为180度，也就是两路具有互补关系的开关驱动脉冲。这两路脉冲通过隔离驱动单元后，用于驱动高频逆变单元的半桥型功率mosfet，使得dc-dc变换器工作于谐振频率处，以便取得最优的软开关条件，从而获得功率变换过程中的最高效率；
[0043]-12v基准单元，用于产生输出dc 12v所对应的基准信号，作为输出稳压控制的给定信号，送入pid控制器的给定输入端；
[0044]-输出采样单元，用于以12v基准单元产生的给定信号作为对标对象，对输出的dc 12v电压进行采样，将获得的信号作为输出稳压控制的反馈信号，送入pid控制器的反馈输入端；
[0045]-pid控制器，用于对代表了dc 12v的给定信号和实际输出反馈信号进行pid调节，以消除实际输出和给定之间的误差，得到满足稳压指标要求的实际输出电压。pid控制器的输出信号，代表了对dc-dc变换器输入端直流母线电压的期望值，最终将转化为对交流侧输入电流有效值的期望值，从而控制交流输入侧的输入功率；
[0046]-输入电压采样单元，用于对输入的ac 220v进行采样，获得其正弦波形，结合pid控制器输出信号所代表的交流侧输入电流有效值的期望值，形成apfc单元中的前馈信号，也就是pfc控制器的给定信号，从而用于对输入电流进行正弦化和与输入电压保持同相位的控制，实现智能电源板的高功率因数控制；
[0047]-乘法器，用于对交流输入电压采样获得的信号和pid控制器输出信号进行相乘操作，其输出即可获得对交流输入电流所期望的正弦化波形，从而作为pfc控制器的给定值，送入pfc控制器；
[0048]-电流采样单元，用于对交流侧输入电流进行采样，获得其实际输出波形，作为pfc控制器的反馈信号，以便pfc控制器将其与给定的电流波形期望值进行处理；
[0049]-pfc控制器，用于通过对给定的电流波形期望值和反馈的交流侧输入电流实际波形进行处理，形成对pfc部分功率mosfet的开关驱动脉冲信号，再经过隔离驱动单元去控制功率mosfet的工作状态，从而一方面获得了正弦化的交流侧输入电流，另一方面对dc母线电压进行了调节，使得处于开环工作状态、具有固定电压增益的dc-dc变换器获得所需的输入电压，最终获得稳定的dc 12v输出电压。
[0050]
控制电源子模块用于为ac-dc控制子模块中的各个集成电路芯片提供工作电源。当智能电源板接通ac 220v输入时，首先由启动电源从ac 220v获得一个低压直流电源，并且提供给控制电源子模块的稳压电路，从而启动ac-dc控制子模块中的各个集成电路芯片，也就是启动了电源模块。当电源模块开始工作，在输出侧获得稳定的dc 12v输出后，此时控制电源子模块的稳压电路的输入电源即转为由dc 12v提供。因此，启动电源和dc 12v之间连接有二极管取大值电路。
[0051]
在实施例中，电源模块可被配置为fru单元，因而包括外壳，对电源模块进行单独封装，以在需要更换时方便拆卸。还可包括辅助散热模块，以将电源模块工作过程中产生的热损耗传递至外部。在实施例中，可采用铝合金外壳作为辅助散热手段。
[0052]
输出滤波单元设置在电源模块的输出侧，用于根据emc和emi要求，消除电源模块的纹波和输出噪声，保证对各个板卡的供电质量。
[0053]
b路和c路的受控开关：根据对智能电源板供电回路的需求，供电回路共分为3路，其中a路为不间断供电模式，因此对其不施加额外控制，但b路和c路需具备开机和关机功能，因此在b路和c路中分别设置受控开关，由单片机产生的控制脉冲来控制受控开关的通、断状态，从而实现开机和关机功能。
[0054]
12v输出模块(即a路、b路和c路)作为不间断电源的主要输出之一，首先其本身能够分时序上电，增加了安全性，并且a、b两路12v输出可以同时最大功率输出，安全稳定性优于传统ups；其次，该部分还可以通过网络实现上电开机、下电关机等，符合当前及未来的功能技术的需求，而传统ups只能通过固定的开关去控制上下电。
[0055]
超级电容及其受控开关：智能电源板储能功能可根据需求进行设置。例如，设置满足放电功率为400w、连续放电10s且最终电压不低于11.4v的超级电容组件，满足在交流侧输入电源无电的情况下，保持最低10s供电能力的指标要求。当供电时间超过10s后，由单片机发出受控开关的控制信号，切断受控开关，结束对各个板卡的供电。当交流输入电源恢复后，电源模块的直流电压输出为超级电容充电，恢复其所储存的能量，单片机同时给出受控开关闭合的控制信号，保持超级电容的热备在线。在实施例中，超级电容可配置为fru单元。
[0056]
单片机控制模块用于完成智能电源板开关机、电源状态监视、与板卡进行通信等智能控制功能。在实施例中，单片机控制模块可包括电压采样单元、单片机及其外围电路、受控开关控制电路单元、以太网接口电路单元、i2c接口电路单元、逻辑接口电路单元、开关机信号处理电路单元、工作电源单元等。
[0057]
工作电源，用于从电源模块的输出端取得dc 12v，通过稳压变换芯片获得单片机及其他集成电路所需的工作电源。当交流输入侧断电时，工作电源也从超级电容上获得输入，支持单片机控制模块继续工作例如10s。
[0058]
电压采样单元，用于对输入侧、输出侧(a、b、c路)的(电源)电压分别进行采样，送入单片机的adc转换引脚，以便单片机通过adc转换结果来监视输入侧和输出侧的电压情况，以及b路、c路的受控开关开通状态是否正常、b路和c路的供电电压是否正常等情况。
[0059]
单片机及其外围电路，包括单片机及其所需的上电复位、晶振、程序下载接口等外围电路，构成单片机最小系统。
[0060]
受控开关控制电路，用于对单片机产生的控制信号进行驱动功率放大，以便驱动三个受控开关的通、断切换动作。
[0061]
以太网接口电路，包括国产phy芯片、集成隔离变压器的rj45插座等，构成以太网接口的硬件部分。
[0062]
i2c接口电路，包括i2c缓冲电路，构成i2c接口的硬件部分。
[0063]
gpio接口电路，用于与主控板卡之间建立逻辑接口，用以接受主控板卡的控制，向主控板卡反馈电源工作状态，以及对外输出电源工作状态和故障指示信号，用以驱动指示灯等部件。
[0064]
开机信号处理电路，用于根据智能电源板开、关机信号类型及其处理流程，开机信号处理电路用于接受xx设备开机信号和电源键开机信号，并对这两种信号进行隔离、捕获、电平变换及锁存，经过处理的开机信号提供给单片机，用于通知单片机执行开机流程。
[0065]
上述实施例的不间断选用性能优于电池的超级电容作为储能装置，体积远小于传统的ups电源，可很好地适用于分布式应用场合。另外，电源模块、超级电容设计为现场可更换模式，可以根据硬件设备的供电功率、电源不间断时间等不同需求情况，灵活配置电源模块和超级电容，形成灵活的电源配置方案。此外，还增加了多种电压规格的输出端口，以满足各方面的需求。
[0066]
如图3中所示，图2实施例的不间断电源的工作流程及状态转移情况如下：
[0067]
1)当交流输入电源上电后，电源模块中的启动电源开始为电源模块中的控制电路供电，则电源模块启动；当输出的dc 12v稳定后，控制电路转为由dc 12v供电，此时单片机启动；电源模块持续稳定工作，保持dc 12v正常，为a路持续供电；
[0068]
2)单片机启动后，执行超级电容受控开关的开通操作，将超级电容投入热备在线状态；超级电容投入成功后，单片机进入常规任务状态(0/0)，持续执行电源状态监视、外部指令监视、通信数据发送等功能(0/1)；
[0069]
3)当外部开机信号有效时(1/0)，单片机转移进入b路、c路的开机控制任务(1/1)，对b路、c路的受控开关进行操作，使得b路、c路开始供电(b路与c路之间上电延迟1s)，单片机判断受控开关开通状态是否正常，执行完毕后返回常规任务状态(1/2)，并可将执行结果反馈给主控板卡；
[0070]
4)当外部关机信号有效时(2/0)，单片机进入转发关机指令的任务(2/1)，将外部关机指令转发给主控板卡，转发完毕后返回常规任务状态(2/2)；
[0071]
5)当主控板卡发来的内部关机指令有效时(3/0)，单片机进入关机控制任务(3/1)，对b路、c路的受控开关进行操作，使得b路、c路停止供电，单片机判断受控开关关断状态是否正常，执行完毕后返回常规任务状态(3/2)，并可将执行结果反馈给主控板卡；
[0072]
6)当交流输入断电时(4/0)，ac-dc电源模块将因失去输入电源而停止输出能量，此时转为由超级电容供电(4/1)，由其保证dc 12v正常(4/2)；
[0073]
7)由于单片机在常规任务中持续监视输入电压的情况，所以当交流输入断电时(5/0)，单片机将进入超级电容供电的计时任务(5/1)，当计时时间达到10s时，单片机进入系统断电任务(5/2)，对超级电容的受控开关进行操作，断开超级电容的放电回路(5/3)，使得全系统进入断电状态，智能电源板也同时停止工作；
[0074]
8)在全系统断电的情况下，当恢复交流输入电源后，系统重新获得交流输入上电条件，系统按照1)-7)所描述的流程重新开始工作。
[0075]
在此所述的多个不同实施方式或者其特定特征、结构或特性可在本发明的一个或多个实施方式中适当组合。另外，在某些情形下，只要适当，流程图中和/或流水处理描述的步骤顺序可修改，并不必须精确按照所描述的顺序执行。另外，本发明的多个不同方面可使用软件、硬件、固件或者其组合和/或执行所述功能的其它计算机实施的模块或装置进行实施。本发明的软件实施可包括保存在计算机可读介质中并由一个或多个处理器执行的可执行代码。计算机可读介质可包括计算机硬盘驱动器、rom、ram、闪存、便携计算机存储介质如cd-rom、dvd-rom、闪盘驱动器和/或具有通用串行总线(usb)接口的其它装置，和/或任何其
它适当的有形或非短暂计算机可读介质或可执行代码可保存于其上并由处理器执行的计算机存储器。本发明可结合任何适当的操作系统使用。
[0076]
除非明确指出，在此所用的单数形式“一”、“该”均包括复数含义(即具有“至少一”的意思)。应当进一步理解，说明书中使用的术语“具有”、“包括”和/或“包含”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个列举的相关项目的任何及所有组合。
[0077]
前面说明了本发明的一些优选实施例，但是应当强调的是，本发明不局限于这些实施例，而是可以本发明主题范围内的其它方式实现。本领域技术人员可以在本发明技术构思的启发和不脱离本发明内容的基础上对本发明做出各种变型和修改，这些变型或修改仍落入本发明的保护范围之内。