基于STM32的单相UPS设计

原创于 2025-10-18 09:53:27 发布 · 775 阅读

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#STM32 #UPS #SPWM #PID

基于STM32的单相在线不间断电源设计

引言

随着科学技术的迅速发展，航空航天、通信、国防、医院等用电部门以及存储设备、通信系统等重要用电设备对电源质量提出了特殊要求，例如电压波动、脉冲干扰和突然中断可能导致随机存储数据丢失和程序破坏，甚至损坏电子设备[1]。因此，电源的稳定性和安全性具有重要意义。目前，不间断电源已广泛应用于对市电有较高要求的各行各业[2]。

2. 不间断电源的基本原理

2.1 在线式UPS的结构

不间断电源（UPS）在市电电源异常或中断时，能够继续向用户供电一段时间。根据国际电工委员会（IEC）的新标准，按照其结构和工作原理可分为三类。其中，在线式UPS具有性能优良、电压和频率稳定性高、功能强等优点。当市电网正常时，市电经过整流滤波变为直流电（交流转直流），再通过升压逆变器（直流转交流），利用SPWM波调制技术将直流电转换为稳定的交流电输出。当市电网电源突然中断或电压低于设定值时，系统自动切换至直流稳压电路供电，及时切换电路，并持续输出稳定的交流电源。在线UPS系统的框图如下图所示。

示意图0

2.2 总体方案设计

考虑到成本降低、损耗降低和波形失真降低，系统各模块采用以下方案进行构建。（1）采用基本的升压升压电路来放大和稳定电压。通过单片机对输出电压进行采样，并利用PID算法调节开关管的占空比，从而控制输出电压。该电路结构简单且节省成本。（2）逆变电路中的MOS驱动器采用德州仪器公司生产的LM5109。LM5109是德州仪器公司最新推出的高压1A峰值半桥栅极驱动器，专为同步降压或半桥结构中驱动高端和低端N沟道MOSFET而设计。其外围电路简单且稳定，高端驱动器可在高达90V的电源轨电压下工作。（3）及时切换电路：采用低功耗电源切换控制芯片LTC4412，通过控制外部P沟道MOSFET实现电源的自动切换。该方案电路结构和原理简单，静态电流低至11μA，功耗低。断开交流电源时可及时切换到储能装置侧供电。系统以STM32F407为主控，由整流滤波电路、升压电路、SPWM调制全桥逆变电路和及时切换电路组成。系统的整体框图如图2所示。

示意图1

2.3 电路分析与计算

2.3.1 基本升压电路

采用基本BOOST电路实现电压升压，通过调节开关管的占空比来控制输出电压。开关管交替地关断和导通，电感L将交替进行储能和释放能量，电感L储能后电压上升，而电容C将维持输出电压平衡。输入输出电压关系为：

$$
U_o = \frac{U_{in}(t_{on} + t_{off})}{t_{off}}
$$

通过改变开关的通断占空比可以获得期望输出电压。原理图如图3所示。

示意图2

输出滤波元件决定了电源的稳定性，是直流‐直流变换器设计中最关键的部分。选择两个组件——输出电感L和输出电容C——非常重要。影响电源稳定性的最关键参数是输出电容的等效串联电阻（ESR），通常越小越好。

$$
C_2 = \frac{I_o(U_o - U_{in})}{U_o f \Delta U_o}
$$

$$
L = \frac{U_{in}^2 (U_o - U_{in})}{\eta I_o f U_o^2}
$$

通过上述两个公式确定电容和电感的值。

2.3.2 单相全桥逆变电路

单相全桥逆变电路是整个系统的核心。该单相全桥逆变电路可视为由两个半桥电路组合而成，共有四个桥臂，两两成对，两对桥臂同时交替各自导通180°。电路图如下所示。

示意图3

2.4 控制软件算法设计

通过改变电网驱动的PWM控制信号的占空比，可以调节升压升压电路的输出电压。采用STM32F4的模数转换器对升压电路的输出电压进行采样，为避免电压过高，采用电阻分压方式。通过对采样值与设定值进行误差比较后调整占空比，即采用PID实现闭环控制。

示意图4

3. 结果

3.1 仿真模型建立

3.2 实验结果分析

3.2.1 正常交流电源测试

在交流电源条件下，通过隔离变压器和自耦变压器降压获得交流电压 $ U_1 = 36V $。在满载条件下，测得交流电流 $ I_o = 1A $，输出交流电电压 $ U_o = 30V $，频率为 $ 50Hz $，失真度为 $ 3.0\% $，当输出交流电流在 $ 0.1A $ 至 $ 1A $ 范围内时，负载调整率为 $ 0.39\% $。部分实验数据如表1所示。

表1. 实验数据