一种不间断直流电源设计方案

电源

一种不间断直流电源设计方案

（广西科技大学，电气学院）

摘要

本文提出一种简易的不间断直流电源，输出稳定的直流电，提高设备的供电可靠性。当输入电源被切断的情况下，自动切换到后备电源，蓄电池通过升压电路给设备供电，使其继续正常工作；当输入电源正常的情况下，后备电源不工作，用电设备由输入电源供给，并且输入电源通过充电电路给蓄电池充电存储电能。

Abstract

This paper presents a simple continuous dc power supply, output stable dc, improve power supply reliability of the equipment.When the input power supply is cut off, automatically switch to the backup power supply, storage battery through the booster circuit for power supply device, make its continue to work normally;When the input power under the condition of normal, back-up power does not work, electrical equipment by the input power supply, and the input power supply through the charging circuit to battery store electricity.

一、前言

随着科学技术的不断发展，如今社会对电力越来越依赖。但是，偶尔会面临停电的问题，不仅会给我们生活带来不便，也给用电设备带来不良影响，严重的还会损坏设备，特别是精密、贵重的设备。为了克服该问题，本文提出一种专为小功率直流用电设备设计的不间断直流电源，可以解决短时间停电的问题，提高设备的供电可靠性。若主电源断电，不间断电源的后备蓄电池自动切入，保持电源的不间断。

二、系统方案设计

根据系统设计目标，本设计的不间断电源能在主电源正常的时候，主电源能给蓄电池充电和给设备供电；主电源断电的时候，用电设备由不间断电源提供电能继续运行。综合系统设计目标要求，形成系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

从系统框图看出，220V的交流电源由开关电源变流稳压为12V的直流电源（本文不讨论开关电源的设计）作为输入主电源；12V的直流电源经过降压电路给充电电路提供5V的电源；充电电路主要就是给蓄电池充电；蓄电池的电压最大只有4.2V，达不到用电设备所需电压，所以必须要有升压电路将电压升到12V；切换电路则负责当主电源断电时能及时的切换到后备电源。

三、电路设计

1.降压电路设计

降压电路采用上海芯龙半导体出品的DC/ DC转换器XL1583，具有宽电压范围输入:3.6-23V;大电流输出：3 A的驱动电流；同时具有很好的线性和负载调节特性，输出电压可调，可实现在1.222-21 V之间。频率补偿和一个固定频率振荡器集成在该器件内部，开关频率可达380 kHz，在高开关频率的条件下可以使用更小规格的滤波元件。该器件只需极少的外接元件，就可以输出稳定的电压，可以使用标准的电感电容，这大大简化了XL1583的电路，极大地降低了开关电源电路的设计难度，更减少PCB空间，也减少ROM成本。芯片内部还有过流保护，过热度保护，输出短路保护等保护措施，使电路更安全。XL1583降压电路图如图2所示。

图2 降压电路

其中，R1、R2为反馈电阻，它们的阻值决定电压的输出，有如下关系：

（1-1）

设R1=2K，代入式1-1得：

R2=6.2K

所以，当R1=2K，R2=6.2K时，VOUT=5V

2.充电电路设计

充电电路采用南京拓微集成电路有限公司的TP4056锂电池充电方案，TP4056 是一款单节锂离子电池线性充电器。其与很少的外部元件数目使得TP4056成为单节锂电池充电的理想选择。TP4056采用恒定电流/恒定电压线性充电模式，可以防止过充，提高锂电池的使用安全性，延长电池使用寿命。充电电路如图3所示。

图3 充电电路

TP4056的充电电流是可编程的，IBAT由R6决定。计算如下：

（2-1）

在实际应用中，可根据所需选取大小合适的RPROG，也可以参考下表：

RPROG(K)	IBAT(mA)
30	50
20	70
10	130
5	250
4	300
3	400
2	580
1.66	690
1.5	780
1.33	900
1.2	1000

表1 RPROG与充电电流的关系

在本设计中充电电路大小为1A，故RPROG为1.2K。

TP4056具有充电状态指示器，引脚STDBY和CHRG为信号输出。在设计时，将发光二极管的阴极接到这两个引脚上就可构成灯光指示器，通过观察信号灯就可判断充电状态。对应的状态指示如下表所示。

充电状态	红灯 CHRG	绿灯 STDBY
正在充电	亮	灭
电池充满	灭	亮
故障	灭	灭
BAT端接10u电容，无电池	绿灯亮，红灯闪烁 T=1-4S

表2 状态指示关系表

3.升压电路设计

单节锂电池只能提供最高4.2V的电压，不能满足许多用电设备的需求，而如果采用多节电池串联的方式会使充电电路复杂化。为了解决这一问题，最好的方式就是将4.2V升压到12V，这样一来就可满足所需了。在本设计中，升压转换器选择上海芯龙半导体的XL6009，该芯片是DC/DC升压转换器，具有高效率，功率大，电压范围广的特点。该芯片采用TO263-5封装形式，最大输出电压可达60V，最输出电流达4A，开关频率为400KHZ，输出纹波小。使用XL6009方案的升压电路应用简单，外部元器件比较少，整个系统效率相当高。芯片内部还有过流保护，过热度保护，输出短路保护等保护措施，使电路更安全。升压电路如图4所示。

图4 升压电路

4.切换电路

当主电源正常时，输出电源由主电路供给；当主电源断电时，输出电源由蓄电池提供，而要达到这样的效果必须有切换机构的执行，所以切换电路起到枢纽的作用。切换电路采用MOSFET控制，实现简单，成本低。切换电路如图5所示。当VIN有电压时，Q2的基极有电流流过，此时Q2饱和导通，Q2发射极电压约等于VIN，所以正电压加载在N沟道的场效应管Q1的G极上，Q1饱和导通，电流由VIN-D5-Q1-P1形成通路，所以该情况由VIN提供电能；当VIN失压时，Q2的基极由R9、R10拉低为0V，Q2截止，所以Q1的G极由R11拉低为0V，此时Q1截止，电流由12V-D6-P1形成通路，所以该情况是由蓄电池供电。D5、D6可以有效防止倒流而损耗电能。

图5 切换电路

四、结论

本设计有效利用了锂电池专用充电芯片，能够提供恒流恒压充电方式，保证了蓄电池满容量、延长使用寿命的最佳方案；利用XL1583、TP4056和XL6009等电源管理芯片，电路简单实现容易，比较成功地实现了系统要求的功能，实际应用表明电路性能较好，符合系统方案设计要求，整体性能稳定，具有较好的实际应用价值。该系统已经在无线路由器得到验证，工作稳定，主电源断电时可随时切换，可以连续工作3-4小时，满足一般需要。本系统可以用在门禁系统、应急照明系统、网关等直流设备。

参考文献：

[1] 王兆安，刘进军. 电力电子技术[M]. 第5版. 北京：机械工业出版社，2009.

[2] 李***，王宁会. 电源技术[M]. 第1版. 大连：大连理工大学出版社，2010.

[3] 赵健，杨维芝赵佳明. 锂电池的应用开发[J]. 电池工业,2000,5(1):31-36.