几种直流DC UPS技术架构及特点比较

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      直流不间断电源设计主要应用于12V/24V/48V的总线供电系统或需要LES供电领域。相对于传统AC UPS的系统,各自的用途不同,此文主要就各种DC UPS 技术路线进行比较

DC UPS的组成结构

  一般DC UPS 基本由以下几个部分组成

l  输入/输出保护电路

l  电池充电/放电电路

l  MCU接口控制电路

l  电池/输入供电切换电路

l  电池升降压电路

DC UPS要实现的功能

l  设备供电

l  电池充电

技术重点

l  电源切换uS 级切换

l  稳定输出

下面简要的介绍一下几种技术路线实现的 DC UPS

1.  使用四开关稳压

实现方式是在系统输出总线上加入4开关升降压电路,保证不管输入电压高低,输出都能保证一个稳定的电压给负载。类似一个高压大电流充电宝,如图1所示,

使用升降压转换器设计的DC UPS 直流不间断电源

1. 电源总线通过BUCK-BOOST输出给负载供电

核心功能:

l  四开关升降压输出

l  独立的充电管理。

l  PowerPath架构

 

优点:

l  不管外部供电还是电池供电,都能给负载提供稳定的电压

l  根本没有切换延时。

l  无论外部电源和电池电压高低,都能给负载提供稳定的电源

工作原理:

l  外部供电,外部电源给电池充放电的同时也给负载供电。

l  外部掉电,电池给负载供电。

l  电源输出BUS经过四开关控制器输出稳定的电压给负载

缺点:

l  给负载的电源经过四开关稳压器,有能量损失。

l  输出经过四开关稳压电源,成本增加。

l  大电流时四开关稳压模块长期工作,要考虑散热。

代表方案:

   ADI, TI : Powerpath电池充电IC+升降压IC+MCU,

2.  使用DSP 技术

主要保证外部供电掉电的情况下,电池立即供电,这个切换间隔微秒级,保证不能产生电压跳变,这个电压跳变对有些负载时致命的。要实现这种切换, 需要精密的A/D转换器去判断外部电压/电池电压,DSP通过精密的电压电流采样实现一个双向四开关电源系统,外部设备供电时,可以给负载供电的同时给电池充电,外部电源掉点,双向电源切换方向,输出预先设置的电压给负载供电。

使用双向电源设计的DC UPS 直流不间断电源

2. 通过DSP/或单片机来实现双向电池切换。

核心功能:

l  DSP 实现双向电源

l  输出电压无缝切换

 

优点:

l  基本没有切换延时。

l  外部供电时输出没有损耗。效率高

工作原理:

l  外部供电,给负载供电的同时,双向电源正向工作给电池充电负载供电。

l  外部掉电,双向电源反向稳压供应负载

缺点:

l  外部须提供稳定电压。

l  精密的电压电流采样,增加成本

l  要设置切换门槛电压。

代表方案: TI : DSP系列, UCD3138, ADI: LT8708STM32G4系列等。

 

3.  使用升压电路

实现方式是采用降压充电,充电和电池输出分开,外部供电时给负载供电的同时给电池充电,外部掉电时,电池通过升压电路给负载供电,工作如图3.所示。

使用升压转换器设计的DC UPS 直流不间断电源

采用升压电路实现的双向切换方式

核心功能:

l  降压充电管理

l  电池升压输出

 

优点:

l  没有切换延时。

l  外部供电时输出没有损耗。效率高

工作原理:

l  外部供电,给负载供电的同时给电池充电

l  外部掉电,电池通过升压电路给负载给供电

缺点:

l  外部须提供稳定电压。

l  升压电路和外部电源要有一定的压差0-1V,保证外部供电时,升压电路处于待机状态

 

4.  PowerPath架构

此种方案类似笔记本电池工作方式,外部掉电时电池不经过升压、升降压直接给负载供电。因为电脑主板内部都有稳压系统,能承受一定的外部电压变化,这个设计对输出电压幅度要求比较低的场所还是非常合适的,最主要时成本较低。

总结:

   随着智能电子设备的普及化,经常要考虑到设备供电的稳定性和冗余问题,根据设备电源的需求,可参考以上架构去选择合适的DC UPS电源

 

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