芝芯方案｜一份让您爱不释手的UPS设计方案，倾情奉上

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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。

关于东芝电子元件及存储装置株式会社

东芝电子元件及存储装置株式会社是先进的半导体和存储解决方案的领先供应商，公司累积了半个多世纪的经验和创新，为客户和合作伙伴提供分立半导体、系统LSI和HDD领域的杰出解决方案。

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