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带有UPS热备份功能的PC电源技术探讨

日期:2023年09月28日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:270
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202309211622219953 论文字数:43566 所属栏目:电力论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇电力论文,本论文为了防止因市电掉电所导致的电脑硬件损坏或数据文件的丢失,针对目前所采取的加配独立UPS的解决方案中存在系统可靠性低、研制成本和运行损耗高、整个系统占用空间大以及难以综合优化等问题,在研究了PC电源输入输出特性以及电网电压波动特性基础上,给出了一种基于快速运行模式切换开关的低功耗集成化技术。

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

随着计算机在工业中的迅速发展,电脑不仅在国家的一些重要部门(如航天、金融、国防等)发挥巨大作用,而且对于我们个人也是不可或缺的。然而电脑瞬间断电会造成台式电脑上正在编辑的文档、数据没有保存而丢失,可能会给个人、企业、国家带来巨大的损失,并且有些损失可能影响国家经济的发展甚至对人们的人身安全产生威胁。因此,随着PC电源对连续性和可靠性的要求越来越高,确保安全、经济、有效的不间断系统电源已成为近年来的一个重要研究领域[1-3]。

UPS(Uninterruptable Power System),即不间断供电电源,其作用是向电气系统不间断供电。当电网突发故障时,UPS可为电气设备提供应急电源,以保证用电设备供电的连续性与可靠性[4]。目前,市面上应用于PC电源的一般为交流UPS,它由整流器、逆变器、线路频率变压器和旁路电路组成,整流器将交流线路电压转换为直流线路电压,以便为电池组充电并保持恒定的直流线路电压[5-7]。逆变器将直流线路电压转换成交流线路电压,并向连接的负载提供调节的正弦电压[8]。交流UPS由市电最终输出到用电设备的电能都要经过整流和逆变两个模块,经过两次转换(市电-直流-交流),电能损耗较大。UPS系统经过两次变换需包括整流和逆变两个模块,成本高而且体积大,也不符合绿色环保、小体积的发展趋势[9-12]。

针对目前所采取的加配独立UPS的解决方案中存在系统可靠性低、研制成本和运行损耗高、整个系统占用空间大以及难以综合优化等问题,本次设计提出将UPS与PC电源一体化,利用直流-直流转换器(DC-to-DC converter,DC/DC)完成电能的转换,快恢复二极管代替原有的切换开关,根据电网电压下限和台式电脑正常工作电压的上限的差值设计不间断供电关键电路。

1.2 PC电源UPS研究现状及发展趋势

1.2.1 PC电源UPS研究现状

现有的PC电源UPS一般为交流UPS,根据UPS的工作方式的不同,交流UPS可分为在线式UPS、在线互动式UPS和后备式UPS[13]。后备式UPS电路结构如图1.1所示,在市电正常供电时,由市电供给用电设备,充电器给蓄电池充电。当市电故障时,电池提供的直流电通过逆变器转变为稳定的交流电给用电设备供电。市电正常时后备式UPS的逆变器不工作,只有在市电故障停止供电蓄电池放电时工作,这种类型的UPS被称为后备式UPS[14]。在电网故障时后备式UPS相比较在线式UPS切换时间较长,在一些关键的不能中断供电的场合不适用。

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在线式UPS电路结构如图1.2所示,在线式UPS不管电网供电是否正常,负载使用的交流电压必须通过逆变器电路,逆变器始终处于运行状态[15]。当电网故障时,在线式UPS可以立即将蓄电池中储存的直流电,通过逆变器模块转化为50Hz的交流电,对后级电路供电,实现整个系统的不间断供电。在线式UPS需要经过两次变换,首先经过整流电路将电网中的交流电变为直流电,再经过逆变电路由直流电变为交流电,无论市电是否正常,UPS都处在长期带载运行状态[16]。因此现有的电脑UPS系统其功耗大、成本高、体积大,不符合绿色环保、小体积的发展趋势。

第二章PC电源工作原理及参数计算

2.1 PC电源基本特性

PC电源是将普通市电转换成低压直流电的装置,是电脑的重要组成部分[30]。由于电脑是弱电电气设备,而普通市电为220V交流电,需要通过PC电源的转换,将普通市电的交流电转换为直流电,转换后的低压直流电供给CPU、主板、硬盘等电脑配件。不同品牌、不同型号的PC电源输入输出特性不同,根据Intel制定的ATX电源设计标准,PC电源的输入参数如表2.1所示,该电源输入典型的交流电压为230V,最大交流输入电压为265V,最小交流输入电压为180V,一般电网电压输入频率变化范围为47Hz-63Hz,PC电源对频率变动范围等特性影响较小。

根据Intel的ATX电源设计指南PC电源输出参数如表2.2所示。PC电源输出电压分别为+12V、+5V、+3.3V、-12V和+5VSB。其中,+12V输出端口最大输出电流为4.2A,最大输出功率为50.4W;+5V输出端口最大输出电流为18A;+3.3V输出端口最大输出电流为10A;为了降低PC电源成本,提高可靠性,+5V和+3.3V共用一个输出绕组,最大输出功率为90W;-12V输出端口最大输出电流为0.3A,最大输出功率为3.6W;+5VSB为待机电源,PC电源有输入电压时待机电源+5VSB就有输出,最大输出电流为0.8A,最大输出功率为4W。输出电压−12V的变化范围为±10%,其余输出电压变化范围都为±5%[31-34]。

2.2 PC电源开关模型

PC电源总体框图如图2.1所示,电网交流电经过EMI滤波电路,在滤波电容的作用下,将电网电压变为50Hz纯净的交流电,输出的高压直流电压加至KA5H0165控制器、主开关管、开关变压器和主开关变压器。PC电源启动过程为:高压直流电加到KA5H0165控制器后,KA5H0165集成在内部的开关管开始工作,在待机电源开关变压器的二次绕组上输出两组电压,分别为+5V和+28V的直流电压,+28V电压为KA3511控制器供电,+5V为待机电源。待机电源启动后,主控芯片KA3511产生的PWM脉冲,脉冲信号管放大后加至推动变压器上,再加到主电源电路的开关管上,使得PC电源主开关管处于高频开关状态,最后输出低压直流电供电脑使用。脉宽调制PWM占空比的调节实现低压直流输出的稳定,若电路的输出电压比给定参考电压大,则PWM占空比减小;若电路的输出电压比给定参考电压小,则PWM占空比增大。

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第三章PC电源建模及控制策略..............................26

3.1 PC电源小信号模型..............................26

3.1.1辅助电源电路小信号模型........................26

3.1.2主电路小信号模型............................28

第四章UPS工作特性数字分析.................................39

4.1 UPS-PC电源切换实现方法.....................39

4.2 UPS充电电路分析...............................40

第五章UPS-PC集成电源运行分析及优化............................59

5.1 UPS-PC电源电网异常状态下的过渡特性分析........................59

5.1.1 PC电源失电状态特性分析...............................59

5.1.2 UPS-PC集成电源电瞬态跌落过渡特性分析.........................61

第五章UPS-PC集成电源运行分析及优化

5.1 UPS-PC电源电网异常状态下的过渡特性分析

5.1.2 UPS-PC集成电源电瞬态跌落过渡特性分析

当供电系统正常时,UPS放电电路输出端电压小于PC电源最低直流母线电压,快恢复二极管反偏截止,UPS放电电路近似处于空载状态,输出功率近似为零;当供电系统断电后,PC电源直流母线电压逐渐减小,当减小至UPS放电电路输出电压时,二极管正偏导通,18650锂电池模块为PC电源后级电路提供能量,UPS放电电路输出电流突然增加,由于控制模块的带宽的限制,此时输出电流主要由UPS放电电路中的储能电容提供,因此输出电流突变将会引起UPS放电电路输出电压跌落。

DC-DC升压负载瞬态响应波形如图5.7所示,由图看以看出,在电网正常供电时,由于PC电源直流母线高于升压电路输出电压,二极管反偏截止,因此电感电流为零,升压电路处于空载状态。在电网断电后,在0.07s时刻PC电源直流母线低于升压电路输出电压,二极管正偏导通,输出电流瞬间增大,致使输出电压跌落,控制回路快速响应。在切换为电池供电时,PC电源母线电压跌落值大约为4.2V,直流母线电压高于PC电源最低运行电压,可以保证PC电源不间断运行,恢复稳定运行时间也较短。

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第六章总结与展望

6.1总结

本论文为了防止因市电掉电所导致的电脑硬件损坏或数据文件的丢失,针对目前所采取的加配独立UPS的解决方案中存在系统可靠性低、研制成本和运行损耗高、整个系统占用空间大以及难以综合优化等问题,在研究了PC电源输入输出特性以及电网电压波动特性基础上,给出了一种基于快速运行模式切换开关的低功耗集成化技术。本文的主要工作如下:

(1)首先介绍了主要介绍了PC电源UPS的研究背景和意义、研究现状和发展趋势,介绍了PC电源UPS集成技术,并阐述了直流UPS相对于交流UPS的优点。

(2)其次介绍了PC电源的基本特性,分析了PC电源各个模块的开关模型和工作原理,并计算了辅助变压器、主变压器和磁放大器等关键参数,根据计算的参数画出了PC电源辅助电路和主电路原理图;并根据各模块的控制方式设计了控制环路,并利用伯德图分析了各模块控制系统的动态特性。

(3)详细阐述了UPS与PC电源一体化集成的组成部分和实现方法。采用平均电流控制模式设计了DC-DC降压充电控制系统,根据锂电池18650