基于超级电容的后备式UPS系统设计

韩冬林， 徐琤颖， 陈　愚

(天津中德应用技术大学，天津300350)

基于超级电容的后备式UPS系统设计

韩冬林， 徐琤颖， 陈愚

(天津中德应用技术大学，天津300350)

采用高性能数字信号控制器dsPIC33FJ16GS504和新型的电源管理芯片XL4501，完成了基于超级电容的后备式UPS系统软硬件设计，给出了超级电容充电管理电路和UPS逆变控制电路设计方法，讨论了基于数字信号控制器芯片的算法程序流程，并且用样机验证了设计。

超级电容；后备式UPS；dsPIC33FJ16GS504；XL4501

在UPS电源中，储能系统是一个重要的角色，影响到UPS体积、寿命及成本，常见为铅酸电池模块，具有价格便宜、稳定性高等优点，但废弃时需要回收，否则会造成环境污染[1]，大量统计数据资料表明，目前12 V系列铅酸蓄电池其平均使用寿命大约只有3～4年[2]，因此UPS电源的环保安全问题值得进一步加深研究，传统的以铅酸蓄电池模块作为储能单元的UPS电源系统需要寻找长寿命、环保型的储能元件。超级电容器是近几十年来，国内外发展起来的一种介于常规电容器与化学电池二者之间的新型储能元件，它具备传统电容器的放电功率，同时也具备化学电池储备电荷的能力[3]，超级电容具有极其优良的充放电性能，在额定电压范围内，可以以极快的速度充电至任意电压值，放电时则可以释放出所存储的全部电能，而且没有蓄电池快速充电和放电的损坏问题[4]，此外,超级电容还具有内阻小,充放电效率高(90%以上)，循环寿命长(几万至十万次)，无环境污染等独特的优点[5]。基于超级电容器的优良特性，本文设计了一种后备式UPS系统，给出了超级电容充电管理电路、推挽式DC-DC转换电路、全桥逆变整流电路硬件方案，讨论了基于数字信号控制器芯片的算法程序流程，实现了数字化电源管理系统软硬件的多参数优化设计。

1　超级电容充电管理电路设计

1.1超级电容特性分析

本设计采用凯美能源公司的高功率HP型超级电容器作为储能单元，型号为HP-2R7-J407UY-LR，该超级电容器单体的外形尺寸为35mm(直径)×62mm(长度)，额定电容量为400 F，额定工作电压为2.7 V，直流内阻为20 mΩ，1 kHz下的交流内阻为10 mΩ，额定工作电流为60 A，最大工作电流为108 A，24 h漏电流仅为4 mA，最大能量为405 mWh，能量密度为5 790 mWh/kg，最大功率为91.1 W，常温25℃条件下充放电循环工作寿命可达100万次。HP-2R7-J407UY-LR超级电容器单体的循环寿命曲线如图1所示[6]。

图1　HP-2R7-J407UY-LR超级电容器单体循环寿命曲线

分析以上技术数据可以得出HP系列超级电容器的主要特性如下：

(1)器件体积小，电容量大。

(2)电容器内阻小，充放电损耗小，具有很高的充放电效率。

(3)允许大电流工作，可以快速充放电循环工作，大电流能量循环效率高。

(4)常温条件下可以达到百万次的循环工作寿命。

(6)超级电容器的能量密度虽然显著高于普通的电解电容器，但是还远未达到铅酸蓄电池的能量密度等级。

(7)超级电容器的额定工作电压较低，需要采用电容器串联的方法构成储能单元组件，串联的超级电容器组件需要加有串联均压装置才能正常工作。

1.2恒流源充电电路设计

本设计选用XLSEMI公司的XL4501作为超级电容器恒流限压充电控制芯片，该芯片是一款高效降压型DC-DC转换器，可工作在8～36 V直流输入电压范围，内部集成恒流源控制环路和功率MOSFET，固定150 kHz的PWM开关频率，输出电压从1.25～32 V可调，最大5 A开关电流输出，芯片最小工作压差仅为0.3 V，主要应用于充电电源和大功率LED驱动电路设计。XL4501芯片内部功能如图2所示[7]。

图2　XL4501芯片内部功能图

XL4501芯片的FB管脚为输出电压反馈输入端，可以通过外部电阻分压网络检测输出电压值并进行PWM占空比的调整，芯片内部参考电压值VREF为1.25 V。XL4501芯片的CS管脚为输出电流检测引脚，通过调整外部电流检测电阻的阻值就可以限定最大输出电流值。

XL4501恒流源限压充电电路如图3所示。在本设计中，由于采用了6个串联工作的超级电容器作为储能单元，每个电容器的额定电压为2.7 V，所以充电电压最大值限定为16.2 V。图3中充电电路的最大输出电压VOUT计算公式如下[7]：

图3　XL4501恒流源限压充电电路图

因为电路中的R1=1 kΩ，R2=12 kΩ，VREF=1.25 V，所以最大输出电压VOUT计算值为16.25 V，满足6个串联工作的超级电容器最大充电电压限定值的要求。图3中充电电路的输出电流IOUT计算公式如下[7]：

因为电路中的R3=30 mΩ，VCS=110 mV，所以最大输出电流IOUT计算值约为3.67 A，超级电容器储能单元的充电电流被限制在3.67 A以内。

1.3串联均压电路设计

超级电容器在生产制造过程中，存在着工艺和材质的不均匀问题，同批次同规格的电容在内阻、容量等参数上存在着某些差异，因此超级电容器组件在使用时需要加有串联均压装置，来提高组件的能量利用率和安全性[8]。本设计选用TOREX公司的XC61CC2702MR作为串联均压电路控制芯片，该芯片是一款高精度低功耗电压检测器，电压检测精度高达1%，温度漂移特性低至100 PPM/℃，适用于微处理器复位电路和电池充电电压检测电路设计。XC61CC2702MR芯片内部功能如图4所示[9]。

图4　XC61CC2702MR芯片内部功能图

XC61CC2702MR芯片的检测电压额定值为2.7 V，与超级电容器单体的额定电压相匹配，当图3中的VIN达到2.7 V以后，芯片的图腾柱电压输出管脚VOUT电平翻转。超级电容器串联均压电路如图5所示。

图5　XC61CC2702MR串联均压电路原理图

如图5所示：超级电容器单体C1上的充电电压由XC61CC2702MR芯片的VIN管脚检测。当电容单体上的充电电压低于2.7 V时，XC61CC2702MR芯片的输出管脚VOUT为低电平0 V，MOSFET开关Q1截止；当电容单体上的充电电压高于2.7 V时，XC61CC2702MR芯片的输出管脚VOUT为高电平，输出电压值为VIN，MOSFET开关Q1导通，超级电容器单体C1上的多余的电荷经R1～R3限流后泄放掉，从而保证了串联超级电容器组件中每个单体上的充电电压均衡在额定工作电压2.7 V附近。Q1选用了TOREX公司的低驱动电压型功率MOSFET开关，型号为XP161A1355PR，该器件的门极驱动电压仅为1.5 V，从而保证了当电容单体上的充电电压高于2.7 V时Q1能够可靠导通。

2　UPS逆变电路设计

2.1推挽式DC-DC转换电路设计

推挽式DC-DC转换电路工作原理如图6所示。当Q1导通时，输入电流从+VIN通过变压器T1初级的上半绕组馈入，经过MOSFET开关Q1进入输入电源地端，此时变压器T1次级的整流二极管D1截止、D2导通，次级的感生电压经过D2和L1给输出电容C2充电；当Q1截止并经过PWMH/PWML驱动脉冲死区延时后，Q2开始导通，输入电流从+VIN通过变压器T1初级的下半绕组馈入，经过MOSFET开关Q2进入输入电源地端，此时变压器T1次级的整流二极管D1导通、D2截止，次级的感生电压经过D1和L1给输出电容C2充电，如此循环往复，实现DC-DC转换功能。推挽式DC-DC转换电路的输出电压VOUT计算公式如下：

式中：N2/N1为变压器T1的次级/初级匝数比；DUTY为PWMH/PWML驱动脉冲的占空比(0%～50%)。

图6　推挽式DC-DC转换电路工作原理图

推挽式DC-DC转换电路设计中有2个关键点需要考虑，其一是MOSFET开关Q1和Q2不允许同时导通，PWMH和PWML驱动脉冲导通切换时必须要加入死区时间控制；其二是Q1和Q2的器件耐压值至少要高于工作电压两倍以上才能保证正常工作时不被击穿。在本设计中，推挽式DC-DC转换电路的VIN为6个串联工作的超级电容器储能单元的输出电压，理论上VIN的最大值为16.2 V，所以选用FAIRCHILD公司的N沟道MOSFET开关FDP2532，该器件的耐压值为150 V，工作电流79 A，导通电阻16 mΩ，完全能够满足DC-DC转换电路中Q1和Q2的器件耐压设计要求，另外本设计采用MICROCHIP公司的dsPIC33FJ16GS504数字信号控制器作为主控芯片，该芯片内部集成了高速PWM功能模块，支持多种PWM工作模式和输出形式，非常适用于电源转换应用。dsPIC33FJ16GS504芯片内部的PWM模块具备4个独立的PWM发生器，提供8路PWM驱动信号输出管脚，支持标准边沿对齐输出模式和推挽互补输出模式，最高死区分辨率1.04 nS[10]，完全满足本设计对于DC-DC转换电路PWMH/PWML驱动信号控制的要求。基于dsPIC33FJ16GS504数字信号控制器的推挽式DC-DC转换器控制算法流程如图7所示。

如图7所示：控制算法软件首先根据推挽式DC-DC转换器的额定输出电压设定控制程序参考电压VREF，并且通过dsPIC33FJ16GS504数字信号控制器内部的采样保持电路(S&H)和模数转换电路(ADC)，将DC-DC转换器的实际输出电压VOUT数字化并读取到控制程序，然后计算出误差电压数值(Voltage Error)，经过PID程序计算出所需要的PWM信号的占空比(DUTY)，最后通过PWMH/PWML管脚输出PWM驱动信号给MOSFET开关Q1和Q2，推动变压器T1工作，实现推挽式DC-DC转换器闭环算法控制功能。

图7　基于数字信号控制器的推挽式DC-DC转换器算法流程图

2.2全桥逆变整流电路设计

全桥逆变整流电路工作原理如图8所示，当Q1/Q4导通、Q2/Q3截止时，输入电流从+VIN通过MOSFET开关Q1正向馈入变压器T1初级绕组，再经过MOSFET开关Q4进入输入电源地端，此时变压器T1次级的整流二极管D1导通、D2截止，次级的感生电压经过D1和L1给输出电容C2充电；当Q1/Q4截止、Q2/Q3导通时，输入电流从+VIN通过MOSFET开关Q3反向馈入变压器T1初级绕组，再经过MOSFET开关Q2进入输入电源地端，此时变压器T1次级的整流二极管D1截止、D2导通，次级的感生电压经过D2和L1给输出电容C2充电，如此循环，实现全桥逆变整流功能。全桥逆变整流电路的输出电压VOUT计算公式如下：

式中：N2/N1为变压器T1的次级/初级匝数比；DUTY为PWM1H/PWM1L和PWM2H/PWM2L驱动脉冲的占空比(0%～50%)。

图8　全桥逆变整流电路工作原理图

基于数字信号控制器的全桥逆变整流电路设计的关键在于正弦波输出电压、输出电流的实时采样与PWM驱动信号占空比实时调整之间的控制算法设计与优化，基于dsPIC33FJ16GS504数字信号控制器的全桥逆变整流器控制算法流程如图9所示。

如图9所示：控制算法软件首先根据程序中的正弦波查找表得到第一个正弦波电压参考值 (Sinusoidal Reference)，并且通过dsPIC33FJ16GS504数字信号控制器内部的采样保持电路(S&H)和模数转换电路(ADC)，将正弦波输出电压和输出电流的实际值读取到控制程序，然后计算出误差电压数值(Voltage Error)，经过PI程序计算出所需要的正弦波电流参考值(Current Reference)，并将该数值与实际输出电流的反馈值(Current Feedback)相比较，计算出误差电流数值(Current Error)，最后由P调节器程序计算出PWM驱动脉冲的占空比数据，通过PWM1H/PWM1L和PWM2H/PWM2L管脚输出驱动信号给MOSFET开关Q1/Q4和Q2/Q3，推动全桥逆变整流输出电路工作，如此循环往复，实现了正弦波输出电压、输出电流的实时采样与PWM驱动信号占空比实时调整之间的软硬件协同控制功能。

图9　基于数字信号控制器的全桥逆变整流器算法流程图

3　结论

本文设计的基于超级电容器的后备式UPS系统样机采用了高性能的数字信号控制器dsPIC33FJ16GS504和新型的电源管理芯片XL4501，实现了对超级电容器充电管理电路和UPS逆变控制电路的优化设计。该样机已经通过了工业现场应用试验，试验结果表明：基于超级电容器的后备式UPS系统非常适用于嵌入式工业控制计算机中对于掉电后实时数据备份存储的应用需求，相比于以铅酸蓄电池作为储能单元的传统UPS电源，以超级电容器作为储能单元的新型UPS电源系统在使用寿命和环保性能方面均占有明显优势。

[1]林鸿杰，谢奕平.不同储能组件在UPS中的应用[J].电源世界，2014(11)：49-55.

[2]王云玲，曾杰，张步涵.基于超级电容器储能系统的动态电压调节器[J].电网技术，2007(8)：58-62.

[3]闻超，邱瑞昌，赵晓红，等.基于超级电容的直流不间断电源设计[J].电源技术，2011(7)：844-846.

[4]曹秉刚，曹建波，李军伟，等.超级电容在电动车中的应用研究[J].西安交通大学学报，2008(11)：1317-1321.

[5]PANDOLFO A G,HOLLENKAMP A F.Carbon properties and their role in super capacitors[J].Journal of Power Sources，2006(1): 11-27.

[6]凯美能源有限公司.HP系列高功率型超级电容器产品数据手册[M].锦州：凯美能源有限公司，2014.

[7]芯龙半导体有限公司.XL4501芯片数据手册[M].上海：芯龙半导体有限公司，2014.

[8]孙雷.超级电容的原理及应用研究[J].科技信息，2013(12)：1-2.

[9]TOREX Semiconductor Ltd.XC61C Series Low Voltage Detectors Datasheet[M].Tokyo,Japan：TOREX Semiconductor Ltd,2013.

[10]Microchip Technology Inc.High Performance 16-bit Digital Signal Controller dsPIC33FJ 16GS504 Datasheet[M].Arizona,United States of America：Microchip Technology Inc,2010.

Design of backup UPS system based on super capacitors

HAN Dong-lin,XU Zheng-ying,CHEN Yu
(Tianjin Sino-German University of Applied Sciences，Tianjin 300350，China)

Using high performance digital signal controller dsPIC33FJ16GS504 and a new type of power management chip XL4501,completed hardware and software designs of backup UPS system based on super capacitors,listed the design method of super capacitor charge control circuits and UPS inverter control circuits,discussed the algorithm program flow of digital signal controller,at last using prototype verify the design.

super capacitor;backup UPS;dsPIC33FJ16GS504;XL4501

TM 53

A

1002-087 X(2016)10-2036-04

2016-03-20

韩冬林（1966—），男，天津市人，正高级工程师，主要研究方向为传感器与电控技术。