500伏安级新型后备式方波输出不间断电源.docx

1、500伏安级新型后备式方波输出不间断电源500伏安级新型后备式方波输出不间断电源500伏安级UPS-500不间断电源由于它价格低廉而被广泛用于计算机的供电系统。同其他类型的输出额定功率为500伏安的UPS不间断电源相比（例如Sendon UPS-600，Senteck UPS-500，Santak UPS-500及Micro UPS-500等方波输出UPS电源等），其外部供电特性基本相同，它的脉宽调制控制级仍然是采用以SG3524调制组件为中心的方波脉宽调制型的驱动放大电路。为改进性能，它在控制电路中增添了UPS电源逆变器延迟启动和UPS电源逆变器的过压输出自动保护功能。但由于该机设计中将末级

2、推挽驱动级中的推动功放晶体管从传统的四个改为两个。这样一来，当这种UPS电源处于“热启动”工作时（即在市电供电正常的条件下启动UPS电源），它能带动具有额定伏安数的负载。但是，若UPS电源处于“冷启动”工作条件时（即UPS电源在市电供电中断的条件下，直接带载启动），其实际的带载驱动功率将小于产品所标称的额定伏安数。一般情况下，它的“冷启动”带载能力大约只有200W左右。作为这种档次的不间断电源的工作特性如下表所述。新的500伏安级UPS-500不间断电源的典型特性4. 1 UPS-500不间断电源的控制框图框图如图4.1所示，同其他牌号的具有额定输出功率为500伏安的后备式方波输出不间断电源一

3、样。当市电供电正常时，也就是说，当市电输入电压大于180V时，不稳压的市电电源被送到机内的市电供电逆变器供电转换控制回路，经过该控制电路判断后，它要向外发出如下控制信号：启动由SG3524脉宽调制组件构成的脉宽调制控制级，使它的控制脉冲输出变为零伏低电平。这样一来，逆变器将停止工作。启动蓄电池充电回路，并进而使电池处于浮充状态。正常工作时，电池的浮充电电压约为27V。控制转换开关，将市电输入高频抗干扰滤波回路接通。此时不稳压的市电被送到自动稳压控制电路。它在自动稳压控制电路作用下，通过调节变压器抽头式调压电路中的变压器的抽头位置，将不稳压的市电输入变成稳压的交流输出。工作正常时，可将50Hz不

4、稳压市电（180260V）变成电压变化范围在210230V的稳压电源，它再经转换开关送出向负载供电。启动工作状态指示回路，使前面板上的市电供电指示灯（绿灯）发亮。2.当市电供电中断或市电输入电压小于165V时，机内的市电供电逆变器供电控制回路将向外送出如下控制信号：启动脉宽控制级，使它立即向外送出两路相位差1800的50Hz方波调制信号。该控制信号经过逆变器功率放大级放大后，即可向外送出50Hz的方波电源。为了确保逆变器输出电压有效值的稳定，尚需从逆变器反馈一个负反馈控制信号到脉宽调制控制级。送出一个控制信号去关闭电池充电器中相关的控制电路，让电池充电器停止工作。关闭处于自动稳压控制回路中的市

5、电交流输入通道。与此同时接通逆变器的输出与负载的连接通道，让50Hz方波电源向负载供电。为确保逆变器及负载工作的安全度，UPS电源的机内的逆变器输出过流与输出过压检测电路开始工作。当机器工作正常时，自动保护电路对脉宽调制控制级的工作状态不产生任何影响。然而，在UPS电源运行中，若遇到发生输出过流或输出过压之中的任一情况时，自动保护电路将送出控制信号使脉宽调制级的输出立即置于零伏，当然随之而来的是UPS电源的逆变器立即停止工作。类似地，UPS电源内部的电池电压过低检测电路随时随地地检测电池的端电压。当发现电池电压过低（约20V左右）时，自动保护电路也送出一个控制信号去将脉宽调制级的输出置于零伏，

6、迫使逆变器停止工作。从而得以防止电池因过度放电而被损坏的危险事件发生。显然，一旦上述自动保护电路中之任一个起作用时，这台UPS电源就将进入既无市电输出，也无50Hz方波逆变器输出的自动关机状态。启动前面板上的工作状态控制电路，使表示电池供电的红灯以4秒周期闪烁和使喇叭以4秒的周期鸣叫。当UPS电源处于逆变器工作状态时，如果遇到发生输出过电流或输出过电压或电池电压过低之中的任一情况时，红灯将变成常亮、喇叭将变成长鸣。42 UPS-500不间断电源的脉宽调制控制级421电路组成及工作原理UPS-500后备式方波输出不间断电源的脉宽调制驱动回路被示于图4.2中。如同山顿UPS-600型Santak

7、UPS-500型和Senteck UPS-500牌不间断电源一样。它也是用SG3524组件（即编号为IC3的组件）来构成它的脉宽调制控制级。这套逆变器脉宽调制控制电路所要完成的控制功能是：当市电供电中断时，它要向外接负载提供有效值为220V的方波电源。当市电供电恢复正常时，或虽然市电供电中断但UPS电源中逆变器出故障或电池电压过低时，逆变器应立即无条件地停止工作。当12V直流辅助电源被送到IC3组件的电源输入端15引脚后，它即从它的基准电压输出端16引脚向外送出5V基准电源。（注：本UPS电源控制电路中所用到的5V电源都是从IC3-16送出的）我们可以用这个5V基准电源经由电阻R6和R7以及电

8、阻R3和R4组成的两个电阻分压器分别在IC3组件的误差放大器的同相输入端2脚及补偿端9脚建立起两个参考电平。此外，利用电阻R12、R20晶体管Q7、电位器VR2和电容C4以及IC3组件的锯齿波发生器输入端6和7脚组成一个受控的100Hz锯齿波发生器。根据SG3524脉宽调制组件的工作原理可知：当送到SG3524组件的误差放大器反相端1脚的电位升高时，从它的末级驱动输出端11和14脚送出的调制脉冲宽度将变窄。反之，当送到1脚的控制信号的电位下降时，从11和14脚送出这两路相位相差1800的幅值为2.1V左右的脉宽调制脉冲的宽度将增宽。如果我们把这两串脉宽调制脉冲送到末级推挽驱动放大电路进行功放后

9、，就可从主变压器T3的副边绕组n1向负载提供有效值为220V方波电源。这时我们只要将从T3变压器另一绕组n2检测到的方波电压信号反馈送到SG3524组件的误差放大器的反相输入端1脚，即可实现对逆变器输出电压的负反馈控控制。从而确保向负载提供电压稳定度很好的220V方波电源。4.2.2 SG3524组件各有关控制端的控制信号为保证UPS-500不间断电源稳定可靠地运行。有如下控制信号需要送到SG3524组件的各有关控制端：来自晶体管Q8集电极的市电供电逆变器供电转换控制信号。该控制信号经二极管D60、D61、DX和DY被送到脉宽调制组件SG3524的输出端11和14脚。其作用是：当市电供电正常时

10、，将SG3524组件的输出端11和14脚的输出箝位到零伏，从而迫使逆变器停止工作。只有当市电供电中断时或市电输入电压低于165V时，它才允许来自SG3524组件输出端的脉宽调制脉冲被馈送到逆变器的末级推挽驱动线路进行功放。来自组件IC1的11脚的市电供电逆变器供电转换控制信号。当市电供电正常时，它为零伏低电平。当市电供电不正常时，它存12伏高电平。该控制信号经二极管D7被馈送到PNP型晶体管Q1和Q2的基极。其控制功能与上述转换控制信号相同，在此不再重复。此外，当市电供电正常时，从IC1组件11脚送出的低电平信号迫使控制SG3524组件锯齿波振荡器工作的晶体管Q7截止，从而进一步迫使锯齿波振荡

11、器停振。当市电供电中断时，锯齿波振荡器重新开始振荡。来自组件IC1的10脚的市电供电逆变器供电转换控制信号。该控制信号经二极管D8和D40被送到SG3524组件的补偿端9脚。其作用是：当市电供电正常时，使得从SG3524组件的输出端11和14脚送出的调制脉冲的宽度趋向于变为零。当市电供电中断时，从IC1的10脚输出的控制信号应该不影响SG3524组件的正常工作。来自组件IC5的13脚的电池电压过低自动保护信号和UPS电源逆变器过压输出自动保护信号经二极管D16被馈送到SG3524组件的同相端2脚。此外，另一路保护信号，即逆变器输出过载或短路自动保护信号经二极管D56被送到SG3524组件的封锁

12、端10脚。在UPS电源工作过程中，当出现上述任何一种故障之一时，逆变器应立即无条件停止工作，以免损坏器件。来自组件IC5的1和2脚的延时启动控制信号分别经电阻R17和二极管D54被送到SG3524组件的1和9脚以及两个分别控制SG3524组件输出端的11和14脚的晶体管Q2和Q1的基极。这一控制电路的功能是：在启动UPS电源的瞬间，暂时封锁SG3524脉宽调制组件的输出，以免用户在不慎带载启动时造成逆变器中的末级驱动晶体管损坏，其封锁时间约2秒。因此，只有当UPS电源的开机时间超过2秒后，这一控制电路才不对SG3524组件的工作状态产生任何影响。4.2.3 脉宽调制驱动电路的工作情况为讨论问题

13、方便起见：我们将分四种情况来讨论脉宽调制驱动电路的工作情况。1. 当市电供电中断，且UPS电源的逆变器处于正常工作状况时如图4.2所示，这时将有如下控制信号被送到脉宽调制组件IC3（SG3524）的各控制端。（1）来自IC1组件的10和11脚的市电供电逆变器供电转换控制信号均为12V高电平。因此，二极管D7和D8都处于反向偏置状态。此时12V直流电源经电阻R20被送到NPN型晶体管Q7的基极，它使Q1管处于饱和导通状态。这样就将由电阻R12、电位器VR2和晶体管Q7组成的锯齿波振荡器的振荡电阻通路接通。至此由IC3组件的6和7脚及周围元件组成的锯齿波振荡器就开始自激振荡并送出工作频率100Hz

14、，振幅为13.8V的锯齿波电压。（2）当UPS电源开机稳定后，从IC5组件的2脚送来的延时启动控制信号处于高电平输出状态。这一高电平被送到控制脉宽调制组件IC3输出端14和11脚的工作状态的两个PNP型晶体管Q1和Q2的基极，由于Q1和Q2的基极电位高于发射极电位，所以这两个晶体管都处于截止状态，在此条件下，延时启动控制电路不会对IC3组件的工作状态产生任何影响。（3）自晶体管Q8集电极的市电供电逆变器供电转换控制信号也是12V高电平。它迫使二极管D59、D60和D61都处于反向偏置状态。因此，此时晶体管Q8的存在也不会影响IC3组件的工作状态。（4）当逆变器工作正常时，从IC5组件的13脚送

15、来的电池电压过低保护信号为12V高电平，故二极管D16被反偏。此外，从IC5组件的14脚送来的UPS电源逆变器输出过载和短路自动保护信号为0V低电平。由于二极管D56的正端为低电平，所以D56不导通。鉴于上述情况，此时IC3组件的工作状况不受自动保护控制电路的任何影响。在满足上述控制信号的输入条件的前提下，从逆变器输出变压器T3的副边绕组n2中感应得到的幅值为23V左右的50Hz方波电压信号经由二极管D1、D2和D3，电阻R1和R2，电位器VR1和电容C1组成的具有小时间常数的整流滤波回路后，可得到一个幅值约为2.3V的准直流控制信号V0。显然，这个V0的大小是正比于逆变器的输出电压的。在实际

16、操作中，我们可以通过调节VR1的电阻值大小来调节从逆变器送来的负反馈电压大小。采用这样的办法可很方便地调整UPS电源的逆变器的输出电压的幅值。V0控制信号被送到IC3（SG3524）脉宽调制组件的误差放大器的反相端1脚。这样我们就可在IC3组件的末级驱动输出端11和14脚得到两路相位相差1800，幅值约为2.1V，周期为20ms的方波控制信号V1和V2。这对脉宽调制脉冲控制信号V1和V2的脉冲宽度是受控于负反馈控制信号V0的幅度的。其变化规律是：假设由于在UPS电源的输出端突然加载而致使从逆变器输出的50Hz方波电源电压的有效值有所下降的话，它将会使得加在IC3组件1脚的V0信号产生瞬时的幅度

17、下降。这种变化将会导致从IC3组件的输出端11和14脚送出的两串相位相差1800的脉宽调制脉冲的宽度有所增宽。相反，不管因为什么原因引起V0控制信号的幅度有所增加时，它会使得从IC3组件送出的脉宽调制脉冲V1和V2的脉宽变窄。有了这样的负反馈控制特性。我们就可在UPS电源的逆变器的输出端得到50Hz稳频的（由于锯齿波本机振荡器的工作频率只受控于振荡电阻和振荡电容的大小而与直流辅助电源的幅值稳定度无关）和幅度稳定的有效值为220伏方波电源。这是因为假如在UPS电源逆变器的输出端突然加载时，它势必会造成方波电源输出电压的瞬时跌落，这种变化必然会造成V0幅度的下降以及V1和V2调制脉冲的宽度增宽。当

18、这对被脉宽增宽的调制脉冲经逆变器的末级推挽功放电路进行功率放大后，我们就可得到电压输出有效值有所回升的方波电源。这是因为方波电源电压输出的有效值是随方波脉冲宽度的扩宽而增大的缘故。相反，当由于某种原因致使逆变器的输出电压有效值有所增大时，通过上述负反馈控制环就会使得从SG3524组件送出的脉宽调制脉冲的宽度变窄，其结果必然是使得从逆变器输出的方波电源的脉宽变窄和50Hz方波电源电压的有效值有所下降。这样一来，就可确保方波电源的稳压输出特性。由图4.2可见：从SG3524组件的11和14脚送出V1和V2调制脉冲串分别经由二极管DX和DY电阻R13和R14被送到由24伏直流辅助电源供电的两个带有负

19、反馈控制特性的晶体管射极跟随器Q3和Q4的基极而进行第一级功放。UPS-500不间断电源的末级推挽功放电路是分别由NPN型晶体管Q5和Q6以及PNP型晶体管（MJ11033）QA和QB组成电流放大复合管组成的。其中电阻RA和RB以及二极管DA和DB分别是末级驱动晶体管的基极耦合电阻和发射极与集电极间的反向偏压抑制二极管。上述的脉宽调制信号经过这样的功率放大电路放大后，我们就可在输出变压器T3的副边绕组n1得到经升压输出的50Hz有效值为220伏的方波电源。在这里需要说明的几点是：连接在末前级驱动晶体管Q5和Q6射极回路中的小阻值电阻R19是作为检测UPS电源的逆变器工作时是否发生过过流输出的取

20、样电阻。连接在SG3524组件的误差放大器的反相端1脚和补偿端9脚间的由电阻R8和电容C3组成的阻容回路是用来防止SG3524组件的内部控制电路产生自激振荡的消振回路。连接在SG3524组件9脚上的由二极管D40、电阻R3和R4及电容C2所组成的网络中的电容C2是为实现UPS电源逆变器开机缓启动而设置的延时启动电容。当UPS电源处于无市电供电条件下直接启动时，由于C2电容的存在，它可以有效地防止在刚开机的瞬间可能出现的逆变器过流或过压输出的故障产生。这是由于在UPS电源刚启动的瞬间，由于电容C2两端的电压不能跃变，故SG3524组件的9脚的电平被瞬时拉到0.6V的低电平。其作用是使在UPS电源

21、刚开机的瞬间从SG3524组件送来的调制脉冲的宽度不是过宽而是很窄。这样就能有效地防止逆变器出现启动时过压输出的情况发生。随着时间的推移，电容C2被逐渐充电至3V左右。此后随着SG3524组件逐渐进入正常工作状态，电容C2的影响就不复存在了。2. 当市电供电正常（市电输入电压大于180伏）时，送到SG3524组件各控制端的控制信号在这种情况下，各控制端的控制信号将发生如下变化：（1）来自组件IC1的11脚的市电供电逆变器供电转换控制信号从12伏高电平下跳为零伏低电平。这一电平变化将产生下述控制功能：由于经电阻R20送到晶体管Q7基极的电位变为零伏。晶体管Q7就进入截止状态。这样就断掉了由电阻R

22、12和电位器VR2组成的振荡电路支路的接地通路，它将造成SG3524组件中的锯齿波振荡器停止振荡。通过二极管D7将IC5组件的2脚的输出电平箝位到0.6V左右。这样一来，就会使得原来处于截止状态的两个PNP型晶体管Q1和Q2转而进入饱和导通状态。一旦Q1和Q2进入饱和导通状态，它就会将SG3524组件的输出端11和14脚的电平拉到零伏左右，从而切断了末级推挽驱动功放电路的控制信号的输入通道，迫使UPS电源逆变器停止工作。（2）来自组件IC1的10脚的市电供电逆变器供电转换信号为零伏低电平。它通过二极管D8和D40的耦合作用而将SG3524组件的补偿端9脚的电平从3V左右拉到1.4V左右的低电平

23、状态。其作用也是迫使从SG3524组件送出的调制脉冲被置于零伏低电平状态。（3）来自晶体管Q8集电极的市电供电逆变器供电转换控制信号为零伏低电平。它通过二极管D60和D61的耦合作用将NPN晶体管Q3和Q4的基极电位箝位到近于零伏的低电平。这种变化将迫使Q3和Q4处于截止状态，并进而迫使逆变器停止工作。在上述控制信号的综合作用下，从SG3524组件的11和14脚送出的调制脉冲变为零伏直流电平。由于末级推挽驱动电路处于停止工作状态。因此，此时的UPS电源的逆变器也将随之处于停止向外输出方波电源的工作状态。此时从UPS电源的输出变压器T3副边绕组n1输出的将是受控于机内的自动稳压控制回路所控制的5

24、0Hz正弦波电源。3. UPS电源的逆变器处于自动保护关机状态当市电供电中断时，在正常情况下UPS电源的逆变器应该向外送出稳压稳频的50Hz方波电源。但在遇到下述情况之一时，UPS电源将会处于既无50Hz正弦波电源输出、又无50Hz方波电源输出的停机状态。（1）在UPS电源的逆变器的输出端由于某种原因曾经出现过输出过流或短路情况时，这时从IC5组件的14脚送来的过流保护信号将会从原来的零伏低电平变为约2.8V的“高电平”输出状态。这一“高电平”控制信号经二极管D56被送到SG3524组件的封锁端10脚。我们知道：一旦在SG3524组件的封锁端出现高电平“故障”信号，从它的输出端11和14脚送出

25、的脉宽调制脉冲就会立即消失而变为零伏低电平。（2）当从UPS电源的逆变器输出端送出的方波电源的电压有效值过高时，这时从IC5组件的13脚送出的控制电平将从12伏下跳至零伏低电平。这个UPS电源输出过压保护信号通过二极管D16的耦合作用而将SG3524组件的误差放大器同相端2脚的电位箝位到约0.5伏左右的低电平。这一变化的结果，将导致SG3524组件在其输出端11和14脚送出零伏低电平控制信号，从而迫使逆变器停止工作。（3）当UPS电源处于逆变器供电状态时，蓄电池组由于放电它的端电压会逐渐下降。当电池组的端电压下降到约20伏时，这时从IC5组件的13脚送出的电池电压过低自动保护信号将变为零伏低电

26、平。如图4.2所示，其控制功能与上述第（2）种情况相同，迫使逆变器进入自动关机状态。4. UPS电源处于开机启动瞬间的工作状态实践证明：对于目前的绝大多数市售的500伏安级的后备式方波输出UPS电源来说，在刚开机的瞬间不管是否有市电供电，一旦开机时它的逆变器总是抢先工作。也就是说，即使在市电供电正常的条件下，UPS电源在刚开机时也是逆变器先工作一会儿，然后再转为市电供电状态。这种工作方式有一种弊病。假若这时又遇到用户带载启动的话，它很容易引起UPS电源的逆变器发生故障。这是因为任何机器在刚开机的瞬间，机内的各控制电路尚未真正进入稳定工作状态，此时立即向外接负载供电很容易引起出故障。新的500伏

27、安级UPS-500不间断电源在设计时考虑到这个问题，它引进了延迟启动保护功能。当UPS电源在刚启动的瞬间先由组件IC5的2脚送出一个持续时间约2秒的幅值为零伏的延迟启动保护信号。如图4.2所示，这一控制信号将会使得两个PNP型晶体管Q1和Q2处于饱和导通状态。因此，刚启动的瞬间从SG3524组件送出的调制脉冲被箝位在零伏左右，从而迫使逆变器在开机的瞬间停止工作。按本电路的设计值，大约经过2秒后这种延迟启动封锁功能才解除。显然，这种延迟启动功能的设置有利于降低UPS电源的故障率。不过在这里应该指出：目前生产的新的500伏安级的UPS-500不间断电源虽然已大大改善这方面的性能，但电路的设计尚不能

28、达到用户在开机时，这种延迟电路能100%的成功运行。4.3 UPS-500不间断电源的市电供电逆变器供电转换控制电路4.3.1概述这种UPS-500不间断电源的市电供电逆变器供电转换控制电路主要完成的控制功能有：1. 向脉宽调制控制回路送出带“回差”控制功能的市电供电逆变器供电转换控制信号。即当市电输入电压由低向高变化时，只有当市电电压升高到稍稍高于180伏时，UPS电源才进入由市电经变压器抽头调压式稳压电路向负载提供50Hz正弦波电源的市电供电状态。然而，当市电输入电压由高向低变化时，在市电电压下降到低于180伏时，UPS电源继续处于市电供电状态。只有当市电输入电压下降到稍稍低于170伏时，

29、它才由市电供电状态转为由逆变器向负载提供50Hz方波电源的状态。也就是说在进行市电供电逆变器供电转换时，随着市电输入电压变化方向的不同它们的转换电压点之间存在有10伏左右的回差。2. 当市电电网的输入电压太高(约超过265伏)时，这时因机内的变压器抽头式稳压器控制电路已不能保证向负载提供安全稳定的交流电源。为防止因从UPS电源输出的50Hz正弦波交流电源电压过高而损坏微计算机的事故发生，此时的UPS电源的机内的市电供电逆变器供电转换回路应发出控制信号去切断市电输入回路，并重新启动UPS电源的逆变器工作，让逆变器向负载提供50Hz的稳压方波电源。当市电电网的输入电压变化范围在0265V之间时的市

30、电供电逆变器供电转换控制电路的工作情况如图4.3所示。市电输入电压检测信号是从专用的市电输入检测变压器T1的副边绕组上获得的。该控制信号的幅值取决于市电电压的高低，当市电输入电压为220V时，这一控制信号的幅值约为22V。这个正弦波控制信号经由二极管D30、D31，电阻R58、R59、R60和电容C15组成的具有小时间常数的整流滤波电路后得到一个与市电输入电压变化成正比的“准直流”市电检测信号V1。V1被送到由IC2组件的1、6和7脚及2、4和5脚组成的两个具有滞后特性的电压比较器的同相端7脚和反相端4脚（IC2组件是LM339组件）。与此同时，5V基准电源经由电阻R54、电位器VR4、电容C

31、100以及电阻R62、电位器VR7组成的两个电阻分压器分别在这两个电压比较器的反相端6脚和同相端5脚建立起幅值分别为1.8V和3V左右的两个参考电平。这里需预先说明的是：由IC2组件的1、6和7脚组成的电压比较器是用作常规的市电供电逆变器供电转换控制器。而另一个由IC2的4、5和2脚组成的电压比较器是作为市电过压输入保护用的比较器。下面我们先来讨论由组件IC2的1、6和7脚组成的市电供电逆变器供电转换控制电路的工作原理。4.3.2 转换控制电路的工作原理当市电输入电压为220V时,由于建立在电压比较器同相端7脚的电平V1(约2.4伏左右)高于它的反相端6脚的参考电平V2（约1.8伏）。这个电压比较器输出端1脚的控制信号V3应为12伏高电平。如图4.3所示，此时由于二极管D26和D29均处于反向偏置状态，连接在这个比较器输出端1脚和同相端7脚之间的由电阻R57和二极管D26组成的反馈回路的存在不会对比较器的同相端的电平产生任何影响，即Va=V1H。相反，如果市电输入电压下降到使得V1V2）时，市电输入检测信号Va不经任何衰减地被馈送到比较器的同相端7脚，此时Va=V1H。然而，当UPS电源处于逆变器供电时（V1V2），市电输入检测讯号Va被首先衰减掉一个V1=V1H-H1L量后，才被馈送到这个比较器的同相端。一般情况下，这个差值V1相当于市电电压有效值10V