UPS电源电路(DOC)

目录1概述 (1)2引用文件 (1)2.1执行文件 (1)2.2参考文件 (1)3功能描述 (1)3.1系统功能 (1)3.2系统组成 (1)4主要技术性能指标 (2)5接口要求 (2)6详细设计 (3)6.1输入限制保护装置 (3)6.2 DC/DC转换装置 (4)6.3二极管电路 (9)6.4电池组 (9)6.5 电池充/放电保护模块 (10)6.5.1充电电路 (10)6.5.2放电保护电路 (10)6.6 输出限制保护模块 (13)6.7 电池管理单元与系统监控单元 (14)6.8光、电、机械、热接口设计 (15)6.8.1光、电接口设计 (19)6.8.2机械接口设计 (19)6.4.3热接口设计 (19)6.9可靠性、安全性设计 (20)6.9.1可靠性设计 (20)6.9.2安全性设计 (20)6.10电磁兼容性设计 (20)6.10.1控制自身干扰 (20)6.12热设计 (20)6.13降额设计 (21)6.14材料、工艺选用分析 (21)7结论 (21)1概述XXX系统中需要的能量除了来自于传统的太阳电池阵、蓄电池外，还要有与WPT 系统的接口。

对于模块航天器中的能源进行检测、能源平衡以及能源进行控制，是有效提高无线能量传输效率的有效途径。

能源管理系统主要对输入电能量进行管理、存储和分配，为负载提供稳定的输出电压，其对于能量的高效利用，有效应对能源获取、存储和分配所出现的突发事件，保证系统的可靠、正常运行，具有重要的意义。

2引用文件2.1执行文件2.2参考文件3功能描述3.1系统功能能源管理系统主要实现对输入电能量进行管理、存储和分配。

在正常工作模式下，两路输入电压经过二极管电路进行“或”隔离输入，由DC/DC转换模块转换为35V直流电压供充电电路及输出DC/DC转换模块使用，电池充电保护模块对电池组进行浮充电，输出DC/DC转换模块把35V转换为稳定的28V输出。

在输入能量供应不足或者输入发生故障的情况下，系统由电池组供电，输出DC/DC转换模块把电池电压转换为稳定的28V输出。

能源管理系统具有监控单元，以实现对电源输入电压、电流，电源输出电压、电流和电池电压电流状态等进行监测和控制。

3.2系统组成能源管理系统组成框图如图1所示。

能源管理系统包括输入限制保护装置1、2，二极管电路1、2、3、4、5，输入DC/DC转换器，电池充电保护模块，电池放电保护模块，可充电电池组，输出DC/DC转换器，输出限制保护模块，电压电流AD采集模块，能量监测模块，MCU控制模块组成。

图1能源管理系统框图4主要技术性能指标a．输入特性输入电压范围：DC +21.5V~+32.5V；电压纹波：≤300mVpp；b．输出特性输出电压：DC +28 +/-2V；最大输出纹波电压：≤300mVpp；输出电流：~1A；c．效率特性输入输出转换效率：81%；d．电池特性电池类型：磷酸铁锂电池；电池规格：24V 20 Ah5接口要求5.1电输入接口满足以下要求:a.能源管理系统输入通道1输入电压：+21.5V~+32.5V，纹波≤300mVpp；b.能源管理系统输入通道2输入电压：+21.5V~+32.5V，纹波≤300mVpp；电输出接口满足以下要求：c.能源管理系统出电压28±1V，纹波≤200mVpp，功率>10W。

（电流1A计算）5.2 机械接口要求：a.尺寸能源管理系统的外形尺寸要求见表1。

b.外观外观应符合以下要求:1）产品表面涂层为黑色阳极化，表面无划伤、毛刺、刻痕、裂纹和其他机械损伤；2）安装面与结构全底面接触，安装面平面度应优于0.1mm/100mm，粗糙度应优于3.2μm。

c.重量重量≤15kg。

6详细设计6.1输入限制保护装置能源管理电路中，需要有输入浪涌抑制，输入欠压关断和输入过压保护等功能。

用RC充电网络控制功率场效应管慢启动实现输入浪涌抑制。

用功率TVS管实现过压保护。

当输入电压超过设定电压时，其TVS管反向导通，电路结构如下图所示：图2输入浪涌抑制保护电路输入欠压保护由DC/DC转换器中的开关控制器实现。

DC/DC转换器的开关控制器包含一个欠压锁定电路，输入电压经过电阻分压网络分压，再输入到控制IC，当输入电压低于设定电压时，控制IC可以实现欠压锁定，电路处于待机状态。

图3输入欠压保护电路6.2 DC/DC转换器能源管理系统输入电压范围为DC +21.5V至+32.5V。

因为电池的浮充电压为29.2V，而且电池充电电路采用BUCK降压电路结构，所以需要输入DC/DC转换器把输入电压转换为35V直流电压，以使充电电路能正常工作。

输入DC/DC转换器采用BOOST升压电路结构。

此时输出DC/DC转换器的输入电压为35V。

当系统没有外部电源输入时，由蓄电池为系统供电，蓄电池输出电压随其电量的减少而降低，其输出电压范围为19.2V至29.2V。

此时输出DC/DC转换器的输入电压为19.2V至29.2V。

综上可知对于输出DC/DC转换器，其输入电压的范围为19.2V~35V，为了获得稳定的+28V输出电压，输出DC/DC转换器采用BUCK-BOOST升降压型结构。

6.2.1输入DC/DC 转换器能源管理系统的输入电压范围为21.5~32.5V ，由输入DC/DC 转换器转换为35V 供后级电路使用。

电路采用BOOST 结构，N 沟道场效应管选威世公司SUM110N06-3m4L 。

电路框图如图4所示。

D L图4 BOOST 原理框图电路主要由开关控制器，功率电感、场效应管和功率二极管构成。

开关控制器用TI 公司的用于开关稳压器的高效低侧N 通道控制器LM3481。

1、输出电压OUT V ，占空比D1IN OUT V V D =- 3521.50.435OUT IN MAX OUT V V D V --=== max 3532.50.0735OUT IN MIN OUT V V D V --==≈ 2、频率为200K 时，FA R5511114.44.3710 4.3710200FA S R K f --===Ω⨯⨯⨯⨯ 3、R1，R2（也就是芯片资料里的R7 R8）2211.275UVLO IN R V V R R =≥+ 故只要工作时UVLO V 大于1.275即可。

本设计选择了R1，R2各为100k 。

4、Comp 脚链接的电阻c R 取22.6k 和电容c c 去82nF 。

5、输出电感L(1)0.6560.34421 5.9222200IN OUT s D DV L uh I f -⨯⨯≥==⨯⨯ BOURNS 公司的PM2120-5R6M-RC 电感电感量为5.6uH ，额定电流为15.6A ，直流导通电阻为5m Ω。

6、输出反馈电阻1F R , 2F R （验证过可行）211.275(1)F OUT F R V R =+2124F F R R ≈ 7、电流检测电阻,最大输出电流为3A(1)160(10.4)323SEN SEN OUT V D mV R m I --≈=≈Ω 6.2.2输出DC/DC 转换器输入DC/DC 转换器的输出电压为35V ，而电池供电时电池的输出电压为19.2~29.2V ，所以输出DC/DC 转换器需要把19.2V~35V 的输入电压转换为28V 输出。

电路采用BUCK-BOOST （升降压结构）结构。

图5为原理框图。

C D SWL VIN VOUT开关控制器DSW图5 BUCK-BOOST 原理框图电路主要由开关控制器，功率电感、场效应管和功率二极管构成。

开关控制器用TI 公司的宽电压BUCK-BOOST 控制器LM25118。

BOURNS 公司的PM2110-560K-RC 电感电感量为100uH ，额定电流为6.1A ，直流导通电阻为35m Ω，是适合本方案的器件。

场效应管用Vishay （威世）公司的SUM110N06-3m4L 。

1、振荡器频率电阻T R99336.410 6.4103.0210 3.021028.8200T R K f K⨯⨯=-⨯=-⨯=Ω 2、占空比（1）当输入电压低于28V 时是升压模式：min 2819.20.31428OUT IN MAX OUT V V D V --=== max 2827.9028OUT IN MIN OUT V V D V --==≈ （2）当输入电压高于28V 时是降压模式：D MIN =V Omin /V INmax =28/35=0.8D MAX =V Omax /V INmin =28/28.1=0.993、输出电感 L O最大电感纹波电流出现在最大输入电压时。

通常情况下，20％至 40％ 的满载电流是在磁芯损耗和电感铜损之间一个很好的折中方案。

BUCK: []uH K H V V f I V L INMAX OUT SW PPMAX OUT O 5.87322812002.012811=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⨯= BUCK-BOOST: 2122428323()(2824)20010.2IN OUT OUT IN PPMAX V V L uH V V f I K ⨯⨯===+⨯⨯+⨯⨯⨯ 取折中，L=100uH,并用该电感值反推PPMAX I 。

PPMAX I （BUCK ）=0.875A;PPMAX I (BUCK-BOOST)=6.46A 。

110.875 1.6880.820.82OUT PPMAX PEAK I I I A =+=+= 2()(2428)1 6.46 5.930.820.8242OUT IN OUT PPMAX PEAK IN V V I I I A V ++=+=+=⨯ BOURNS 公司的PM2120-100K-RC 电感电感量为100uH ，额定电流为6.1A ，直流导通电阻为35m Ω。

4、电源开关管 Q H 和 Q LV FET =1.5*32V=48VI FET =IO*0.8=1A*0.8=0.8A通常选择MOSFET 的额定电流为上述电流的三倍，使开关时器件电阻的损耗最小。

场效应管用Vishay （威世）公司的SUM110N06-3m4L 。

额定电压为60V ，额定电流为110A 。

5、电流检测电阻 RS1()11.25 1.25741010 1.688S BUCK PEAK R m I ===Ω⨯⨯ 2()12.5 2.5421010 5.93S BUCK BOOST PEAK R m I -===Ω⨯⨯ 要保证两种模式都能达到各自的最大电流，Rs 不能超过42 m Ω。

故Rs 选40m Ω。

66310100101250224010RAMP S L uH C PF R ---⨯⨯===⨯⨯⨯ 6、UVLO 分压器 R UV2、R UV1 和 C FTR UV1取75K ，R UV229.4K 取0.1uf 。