DIY不间断UPS电源之前你需要了解什么？

随着各种电子电力设备的发展，不间断电源的作用也越来越重要。从事不间断电源设计的从业人员也越来越多，市面上售卖的UPS电源功率较大，并不是合适初学者来进行拆解和DIY，今天小编为大家带来一款小功率的100W不间断UPS电源的制造，原理图参照EG8010、EG4313等手册，总体来说还是比较好完成的。

　　(a)

　　(b)

　　图1 成品

　　此款UPS不间断电源的设计要求是，输入12V/20AH的铅酸电池，输出一组220V/50Hz/50W和一组110V/50Hz/50W。带有短路、过流、过放电保护，根据是否有市电接入，220V输出可以在逆变和市电之间切换。　　整机的主体结构是SG3525准闭环推挽升压+EG8010全桥逆变+EG4318充电控制，使用了一颗带8位AD的MCU作电量指示、过放电自动关机控制、单键轻触开关机控制以及市电/逆变切换，同时在电池侧使用了高边电流检测方式，电池测电流超过15A时自动关机。

　　(a)

　　(b)

　　图2 电路板

　　整版的结构比较紧凑，因此使用了常用的字母板结构，由于输出功率很小，选用廉价的IR2106作为高低边驱动。推挽部分使用EI33变压器，瞬间功率可以超过200W，但实际功率受到推挽部分散热限制，因此通过高边电流检测限制在120W左右确保可靠性。两路spwm滤波电感均采用廉价的EE25铁氧体磁芯气隙电感。

　　下面重点讲解众多初学者的迷惑，在设计制造UPS不间断电源时的一些常见问题。　　推挽部分该用什么磁芯?

　　首先我们要搞清楚，推挽属于正激类，我们要做的是一个真正意义的变压器，而不是反激里面的电感，所以应该用高磁导率的磁芯以增大初级电感，降低励磁电流。所以磁芯材料一般用铁氧体，至于结构，可以用能够想象的任何结构，包括磁环。

　　已知了输出功率，应该用多大的磁芯?

　　这个问题我感觉确实很复杂。磁芯大小完全取决于两个条件，一是磁芯任何时候不能饱和，这就要求磁芯要有一定的截面积能够容下足够的匝数(也就是窗口面积);二是温升，包括磁芯的温升以及铜线温升。磁芯的温升受频率，detaB影响，而detaB同样取决于截面积和匝数，不考虑趋肤效应的话，铜线温升又取决于电流密度。归一而论，最后磁芯的截面积Ae和窗口面积Aw决定了磁芯能够做到的功率。

　　对于初学者，个人感觉没有必要通过计算的方法选磁芯，根据功率，查查前辈们的使用经验，该用多大磁芯也就心里有数。如果是做实验，可以大胆地把磁芯用小，而给客户做产品，就尽可能用大一点的，留足余量。

　　推挽变压器的匝数怎么算?

　　匝数的计算，最终的目的有两个：一是使峰值磁通密度Bmax小于饱和磁通密度Bsat，防止磁芯饱和，PC40材质的铁氧体100摄氏度下Bsat=0.39T;二是使磁通密度摆幅detaB控制在一定范围内，通常对于单向摆幅的正激、反激类，detaB取在0.2到0.25之间，对于双向摆幅的推挽、半桥和全桥类，detaB取在正负0.2以内。

　　下面介绍推挽的怎么算。首先我们要搞清楚推挽的工作频率。对于SG3525，振荡频率计算方法如下：

　　fosc=1/(Ct*(0.67Rt+3Rd))

　　千万记住，这个频率是振荡频率，SG3525输出的两路互补方波频率是振荡频率的一半。如果我们取Ct=2.2nF，Rt=10K，Rd=47欧的话，fosc=66KHz，那么输出两路方波的频率就是33KHz，占空比为0.5(死区就忽略了)。

　　对于正激类的变压器，磁芯是工作在断续模式的，因此可以直接用独立电压方程计算匝数：

　　N=Von*Ton/(Ae*detaB)

　　假设使用的是12V电池，那么最高电压接近14V，因此Von=14V，Ton=0.5/f=0.5/33=0.015ms=15us，选用EI33磁芯，Ae=107mm^2，detaB选正负0.16，即0.32，那么：

　　N=14*15/(107*0.32)=6T

　　所以，初级绕组我们就采用6+6的结构。　　接下来看次级。次级有两种绕法，中抽头接成全波整流的形式或者单绕组接成桥式整流的方式。因为第二种方法变压器磁芯利用率更高且结构更简单，因此采用第二种。

　　考虑到效率不为1带来的损失及逆变部分占空比的限制，对于220V输出这组，取最低母线电压为220V交流正弦峰值的1.1倍，即310*1.1=340V，这个点对应电池电压接近过放电关机电压10.8V时获得，取电池电压11V，那么匝比为：

　　n=Vbuik_min/Vbat_min=340/11=31

　　因此，次级绕组匝数为6*31=186V，以此类推可以得到110V输出绕组的匝数。

　　按照以上匝比，14V输入时，母线电压为14*31=434V，如果做成准闭环结构，我们可以设定闭环电压在430V附近，防止空载和轻载下电压过高，这样就可以使用450V耐压的电解电容作为母线滤波电容。

　　准闭环有什么好处?

　　准闭环在正常负载下其实是开环，开环的话，占空比为50%，输出电压纹波小，不需要储能电感。同时，开环下，动态响应不受环路带宽限制。

　　母线储能电解用多大容量?

　　对于准闭环或者开环的推挽，如果不考虑死区，理论上可以不要这个储能电容，但是实际上这个电容由两个用途，一是保持死区时的电压，从这一点考虑，他是储能的作用。而死区往往是很小的，因此，这个电容完全不需要很大的容量，据我实测，1W用个0.1uF应该是足够了。同时这个电容承受的纹波电流也是很小的，可以从仿真直接看，也可以从实测温度看。第二点，这个电容需要处理部分的高频尖峰以及工频纹波，也就是退耦的作用。选得太小的话，初级测的工频纹波会很大，增大了变压器的应力，同时变压器也容易发声。

　　一般考虑1uF=3W，电容小了也可以工作，但前级滤波压力大了，更重要的一点是要兼顾干扰，电容小干扰就会明显。足够多的容量也保证了足够低的母线内阻。

　　本篇文章的特殊之处，是对推挽式变压器进行了一部分的讲解，提供了经过实践而得来的经验，较教科书上的知识来的珍贵。不仅如此，在逆变器的设计上，不再仅仅给出参数，而是给出了设计的方法，对初学者来说有非常高的参考价值。