縱觀近20年，全球共有數十起因停電而造成的重大事故。每次事故發生，都會嚴重影響到當地的居民生活水平。為了減輕因停電帶來的極端影響，UPS電源的需求逐年提高。

為什么我們需要UPS

UPS全名叫不間斷電源，顧名思義他是獨立于有線電源外的補給電源，是將鉛酸電池與UPS主機連接，通過主機逆變器等模塊電路將直流電轉換成市電的系統設備。它主要用于當電網出現故障停電時給重要高端設備、精密儀器、計算機網絡系統等提供穩定、不間斷的電力供應，使得重要的工作能夠正常進行下去，避免因停電造成重大事故和損失。

如何設計強大的UPS電源

設計UPS之前需要了解UPS的工作原理。當市電正常時，UPS電源將市電穩壓后供應給負載使用，此時的UPS就是一臺交流市電穩壓器，同時它還向機內電池充電；當市電斷掉時，UPS電源立即將機內電池的電能，通過逆變轉換的方法向負載繼續供應交流電。這里芝子整理了一份UPS標準的系統框圖，如下所示：

圖1 UPS標準的系統框圖

例如風能、太陽能產生的電能通過電源調節器后作為有線電源輸入UPS系統中，此時DC-DC轉換裝置將電能降壓儲存在電池當中，此時電池處于正向充電狀態。一旦連接UPS的外界電源無法供給，UPS將會再次利用DC-DC轉換裝置將儲能電池電源升壓輸出，此時電池處于逆向放電狀態。值得一提的是在DC-DC裝置中采用了東芝研發的DTMOS系列的增強型MOSFET，如TO-220SIS封裝的TK25A60X，TK16A60W5等，TOLL封裝的TK110U65Z和TK190U65Z等。提升了RDS(on)×Qgd性能，同時具備二極管反向恢復特性。

圖2 UPS內部DC-DC轉換原理圖

如上圖所示，電池的存放電在USB塊保護電路、RS-232塊保護電路、顯示器塊保護電路，DC-DC-MCU信號傳輸電路共同協作下完成，這使得電源交互形成一個良好的閉環。

通過DC總線的直流電壓能夠很順利在DC-AC逆變裝置中被轉換輸出穩定的交流電，從而滿足交流用電器的日常電能開銷。

圖3 UPS內部DC-AC轉換原理圖

為了更好的使得電路功率因素得到提高，進一步減少電流和電壓之間的相位差造成的交換功率損失（無功功率損失），UPS系統中還額外增加了功率因素校正電路PFC，從而提升電力利用率。

圖4 UPS內部PFC電路原理圖

在東芝UPS系統方案中，采用了自研的ESD功能TVS管,包括封裝為SL2的DF2B6M4SL／DF2B20M4SL、CST2的DF2B5PC／DF2B7PCT，CST2C的DF2S14P2CTC從而防止電路故障，保護設備；同時為了更好的保護電路系統，加入了自研的光耦合器，具有高抗干擾能力，超高壓隔離，耐受高溫性能，包含封裝為SOL16L的TLP5214／TLP5231以及封裝為SO6L的TLP5754／TLP2761／TLP2768A進行選型構建。在UPS的控制系統中嵌入了一顆以Cortex-M3為核心，工作頻率高達80MHz，具備3相PWM輸出和以太網功能的微控制器TMPM369FDFG／TMPM369FDXBG，以低功耗實現逆變控制和內部系統通信。使得整個UPS系統實現了完整的通信控制機制。同時考慮到MCU的工作環境，為了準確的傳遞控制信號到DC-DC裝置中，在其中間還額外增加了帶隔離屬性的放大器TLP7820，支持電壓5V供電電壓，在共模態模式下提供至少CMTI＝15kV/μs瞬變消除。

如何快速實現方案落地

東芝半導體提供完善的UPS設計構造解決方案，小至器件選型、模塊整合，大到系統架構、產品落地，東芝半導體都將為客戶提供一站式服務。更多關于器件選型和器件性能評估、以及整體設計理念敬請訪問東芝半導體官方網站，來沉浸式體驗UPS的設計之路。

審核編輯：湯梓紅