UPS不间断电源设计方案

纵观近20年，全球共有数十起因停电而造成的重大事故。每次事故发生，都会严重影响到当地的居民生活水平。为了减轻因停电带来的极端影响，UPS电源的需求逐年提高。

为什么我们需要UPS

UPS全名叫不间断电源，顾名思义他是独立于有线电源外的补给电源，是将铅酸电池与UPS主机连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。它主要用于当电网出现故障停电时给重要高端设备、精密仪器、计算机网络系统等提供稳定、不间断的电力供应，使得重要的工作能够正常进行下去，避免因停电造成重大事故和损失。

如何设计强大的UPS电源

设计UPS之前需要了解UPS的工作原理。当市电正常时，UPS电源将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电断掉时，UPS电源立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应交流电。这里芝子整理了一份UPS标准的系统框图，如下所示：

图1 UPS标准的系统框图

例如风能、太阳能产生的电能通过电源调节器后作为有线电源输入UPS系统中，此时DC-DC转换装置将电能降压储存在电池当中，此时电池处于正向充电状态。一旦连接UPS的外界电源无法供给，UPS将会再次利用DC-DC转换装置将储能电池电源升压输出，此时电池处于逆向放电状态。值得一提的是在DC-DC装置中采用了东芝研发的DTMOS系列的增强型MOSFET，如TO-220SIS封装的TK25A60X，TK16A60W5等，TOLL封装的TK110U65Z和TK190U65Z等。提升了RDS(on)×Qgd性能，同时具备二极管反向恢复特性。

图2 UPS内部DC-DC转换原理图

如上图所示，电池的存放电在USB块保护电路、RS-232块保护电路、显示器块保护电路，DC-DC-MCU信号传输电路共同协作下完成，这使得电源交互形成一个良好的闭环。

通过DC总线的直流电压能够很顺利在DC-AC逆变装置中被转换输出稳定的交流电，从而满足交流用电器的日常电能开销。

图3 UPS内部DC-AC转换原理图

为了更好的使得电路功率因素得到提高，进一步减少电流和电压之间的相位差造成的交换功率损失（无功功率损失），UPS系统中还额外增加了功率因素校正电路PFC，从而提升电力利用率。

图4 UPS内部PFC电路原理图

在东芝UPS系统方案中，采用了自研的ESD功能TVS管,包括封装为SL2的DF2B6M4SL／DF2B20M4SL、CST2的DF2B5PC／DF2B7PCT，CST2C的DF2S14P2CTC从而防止电路故障，保护设备；同时为了更好的保护电路系统，加入了自研的光耦合器，具有高抗干扰能力，超高压隔离，耐受高温性能，包含封装为SOL16L的TLP5214／TLP5231以及封装为SO6L的TLP5754／TLP2761／TLP2768A进行选型构建。在UPS的控制系统中嵌入了一颗以Cortex-M3为核心，工作频率高达80MHz，具备3相PWM输出和以太网功能的微控制器TMPM369FDFG／TMPM369FDXBG，以低功耗实现逆变控制和内部系统通信。使得整个UPS系统实现了完整的通信控制机制。同时考虑到MCU的工作环境，为了准确的传递控制信号到DC-DC装置中，在其中间还额外增加了带隔离属性的放大器TLP7820，支持电压5V供电电压，在共模态模式下提供至少CMTI＝15kV/μs瞬变消除。

如何快速实现方案落地

东芝半导体提供完善的UPS设计构造解决方案，小至器件选型、模块整合，大到系统架构、产品落地，东芝半导体都将为客户提供一站式服务。更多关于器件选型和器件性能评估、以及整体设计理念敬请访问东芝半导体官方网站，来沉浸式体验UPS的设计之路。

审核编辑：汤梓红