CN103607037B

CN103607037B - 一种ups电源的切换装置

Info

Publication number: CN103607037B
Application number: CN201310530327.5A
Authority: CN
Inventors: 陈玉林
Original assignee: Perpetual Energy (shenzhen) Co Ltd
Current assignee: Perpetual Energy (shenzhen) Co Ltd
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2033-11-01
Also published as: CN103607037A

Abstract

本发明公开了一种UPS电源的切换装置，包括市电供电模块、外部电源供电模块、电池供电模块、电池充电模块、MCU控制模块、切换控制模块和主机电源输出模块。本发明通过MCU控制模块实时监测市电供电模块、外部电源供电模块、电池供电模块和电池充电模块的工作状态以及同步进行掉电波形识别和峰值电压检测；在市电供电时控制主机电源输出模块将市电直接降压为基准电源输出，当MCU控制模块通过掉电波形识别和峰值电压检测判断市电掉电时，输出切换指令给切换控制模块实现市电供电模块、外部电源供电模块和电池供电模块之间的切换；能够在短时间内准确识别交流掉电，及时提供切换信号，达到UPS多路优先级切换要求。

Description

一种UPS电源的切换装置

技术领域

本发明涉及电源技术领域，特别涉及一种UPS电源的切换装置。

背景技术

UPS(Uninterruptible Power System, 不间断电源)电源是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源，其用于给电子设备提供不间断的电力供应。在当市电中断（事故停电）时， UPS 电源立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。目前市场上常用的UPS电源为在线储备式电源，切换回路只有2路（220V交流和内置蓄电池），切换方式为在线式，内置畜电池转交流长期开启，不需要考虑某路是否掉电因素，优点是电路简单，切换速度快。缺点是在供电回路为3路或以上情况时（如220V交流、外部直流供电、内置蓄电池）在线式切换不能达到优先级供电的目的，不能及时识别切换回路。

常规的UPS电源工作时，市电掉电后市电波形易受电网负载影响。若电网中存在感性负载、如电机，电机运转时会引起电网波形畸变。并且掉电时，电机产生的反电动势将叠加至电网，市电电网波形并不会立即降至零伏。且现有的交流掉电识别方法中，大都通过使用隔离电路采取交流电信号，采用判断交流电下降速率、幅度的方法进行识别交流电掉电依据，在电网电压波动时此类方法在反映时间上存在误判。这样将无法实现快速、准确的掉电判断，切换不及时将导致用电设备因缺电而停机、数据丢失影响工作、或使用电设备工作异常。

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种UPS电源的切换装置及切换方法，能够在短时间内准确识别交流掉电，及时提供切换信号切换至备用电源，达到UPS多路优先级切换的要求。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种UPS电源的切换装置，用于在市电、外部电源和电池之间实现无缝切换，其包括市电供电模块、外部电源供电模块、电池供电模块和电池充电模块，其还包括：

MCU控制模块，用于监控市电供电模块、外部电源供电模块、电池供电模块和电池充电模块的工作状态；以及同步进行掉电波形识别和峰值电压检测、采集相关参数进行分析后输出相应的切换指令；

切换控制模块，用于根据所述切换指令实现市电供电模块、外部电源供电模块和电池供电模块之间的切换；

主机电源输出模块，用于将市电降压为基准电源输出，以及将外部电源供电模块提供的外部直流电源、电池供电模块提供的电池电源升压为基准电源输出；

所述MCU的信息采集接口连接市电供电模块、外部电源供电模块、电池供电模块、电池充电模块和主机电源输出模块，MCU的第一交互接口连接切换控制模块，MCU的第二交互接口连接电池充电模块；所述切换控制模块的切换接口连接市电供电模块、外部电源供电模块和电池供电模块，切换控制模块的输出接口连接主机电源输出模块。

所述的UPS电源的切换装置中，所述MCU控制模块包括：

掉电识别单元，用于监控市电的交流电信号的有无，采样交流电信号的幅值并发送给主控MCU；

峰值检测单元，用于将交流电信号转换成直流电压，对直流电压按预设比例缩小后发送给主控MCU；

主控MCU，一方面用于采集市电供电模块、外部电源供电模块、电池供电模块和电池充电模块的工作参数；另一方面用于根据交流电信号的幅值计算出对应的电压值、并与预设掉电阈值进行比较来判断是否掉电，以及将缩小的直流电压与预设欠压门限值进行比较、判断市电是否掉电；根据判断结果输出相应的切换指令；

所述主控MCU的型号为MSP430F147，其连接掉电识别单元和峰值检测单元。

所述的UPS电源的切换装置中，所述主机电源输出模块包括：

升压单元，用于在市电掉电时，将电池供电模块输入的电池电源或外部电源供电模块输入的直流电源升压为基准电源后输出给主机供电；

负载电流采样单元，用于采取负载上的电流并放大后输出给主控MCU；

降压单元，用于对市电进行整流、降压后生成基准电源输出；

所述负载电流采样单元连接降压单元，所述升压单元连接主控MCU和切换控制模块。

所述的UPS电源的切换装置中，所述切换控制模块包括：第一电阻、第二电阻、第一接口、第二接口、第三接口、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一二极管、第二二极管、第一三极管、第二三极管和第三三极管；所述第一接口的第1端和第2端连接第二MOS管的源极，第一接口的第3端和第4端接地；所述第二MOS管的栅极连接第一二极管的正极，第二MOS管的漏极连接第一MOS管的漏极；所述第一二极管的负极连接第一MOS管的栅极、第一三极管的集电极和第二二极管的负极；所述第一MOS管的源极连接第二二极管的正极、第三MOS管的源极和升压单元；所述第一三极管的发射极接地，第一三极管的基极连接主控MCU的P2.3/CA0/TA1脚；所述第三MOS管的栅极连接第二三极管的集电极、还通过第一电阻连接第三MOS管的源极，第三MOS管的漏极连接第二接口；所述第二三极管的基极连接主控MCU的P2.4/CA1/TA2脚，第二三极管的发射极接地；所述第四MOS管的漏极连接第三接口的第1端和第2端，第四MOS管的源极连接升压单元，第四MOS管的漏极连接第三三极管的集电极、还通过第二电阻连接第四MOS管的源极；第三三极管的基极连接主控MCU的P4.6/TB6脚，第三三极管的发射极接地。

所述的UPS电源的切换装置中，所述升压单元包括驱动电路、升压芯片、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第五MOS管、第一电感和第三二极管，所述升压芯片的型号为LTC1871EMS；所述驱动电路的电源端连接升压芯片的VIN端、第一MOS管的源极和第三MOS管的源极，驱动电路的控制端连接主控MCU的P2.6/ADC12CLK脚，驱动电路的输出端连接升压芯片的RUN端；所述升压芯片的FB端连接第三电阻的一端、第四电阻的一端和第五电阻的一端，升压芯片的GATE端连接第五MOS管的栅极，第五MOS管的源极接地，第五MOS管的漏极连接第三二极管的正极、还通过第一电感连接升压芯片的VIN端，第三二极管的负极连接第三电阻的另一端和第四MOS管的源极，第四电阻和第五电阻的另一端均接地。

所述的UPS电源的切换装置中，所述掉电识别单元包括桥堆、第一光耦、第一运放、第六电阻、第七电阻和第八电阻；所述桥堆的第1端连接市电的火线，桥堆的第2端连接市电的零线，桥堆的第3端依次通过第六电阻、第七电阻连接第一光耦的第1脚，桥堆的第4端连接第一光耦的第2脚，第一光耦的第3脚通过第八电阻接地、还连接第一运放的正输入端，第一光耦的第4脚连接第一电源端，第一运放的输出端连接其负输入端、还连接主控MCU的P6.1/A1脚。

所述的UPS电源的切换装置中，所述峰值检测单元包括电压互感器、第一电容、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第二运放和缓冲器；所述电压互感器的第1端连接市电的火线，电压互感器的第2端连接市电的零线，电压互感器的第3端连接第六二极管的正极和第七二极管的负极，电压互感器的第4端连接第四二极管的负极和第五二极管的正极，第四二极管的正极连接第七二极管的正极、第一电容的一端和第二运放的负输入端；第五二极管的负极、第六二极管的负极、第一电容的另一端以及第二运放的正输入端均接地，第二运放的输出端连接缓冲器的正输入端，第二运放的电源端连接第三电源端，缓冲器的输出端连接其负输入端、还连接主控MCU的P6.0/A0脚，缓冲器的电源端连接第二电源端。

所述的UPS电源的切换装置中，所述主控MCU对采样的交流电信号的幅值进行去极值来滤除幅值中的最大值与最小值，并通过移位平均算法得到与交流电幅值对应电压值。

所述的UPS电源的切换装置中，所述峰值检测单元按10:1比例缩小交流电信号后、经过整流，滤波得到直流电压，直流电压，对直流电压缩小23.3倍输出至主控MCU。

相较于现有技术，本发明提供的UPS电源的切换装置，通过MCU控制模块实时监测市电供电模块、外部电源供电模块、电池供电模块和电池充电模块的工作状态以及同步进行掉电波形识别和峰值电压检测；在市电供电时控制主机电源输出模块将市电直接降压为基准电源输出，当MCU控制模块通过掉电波形识别和峰值电压检测判断市电掉电时，输出切换指令给切换控制模块实现市电供电模块、外部电源供电模块和电池供电模块之间的切换；能够在短时间内准确识别交流掉电，及时提供切换信号，达到UPS多路优先级切换要求。

附图说明

图1为本发明UPS电源的切换装置的结构框图。

图2为本发明UPS电源的切换装置中切换控制模块的电路图。

图3为本发明UPS电源的MCU控制模块的电路图。

图4为本发明UPS电源的切换装置中升压单元的电路图。

图5为本发明UPS电源的切换装置中掉电识别单元的电路图。

图6为本发明掉电波形识别时交流电信号整流后的电信号波形图。

图7为本发明UPS电源的切换装置中峰值检测单元的电路图。

图8为本发明存在感性负载的掉电电网波形图。

图9为本发明UPS电源的降压单元的电路图。

图10为本发明UPS电源的切换装置中负载电流采样单元的电路图。

具体实施方式

针对现有交流掉电不能及时、准确判定的问题，本发明提供一种UPS电源的切换装置及切换方法，通过对UPS电源切换技术的综合考虑，确认UPS电源切换的主要因素是在于交流电的掉电识别，故针对多路UPS电源交流电的切换，对现有的交流掉电识别进行改进——用隔离电路采取交流电信号后，对220V交流电的50HZ波形频率进行取样、判断、识别作为交流电掉电的依据。本发明通过硬件电路配合MCU、以及软件控制进行峰值电压检测和掉电波形识别，通过相应算法，能够在短时间（如7.5ms）内准确、识别交流掉电，及时提供切换信号；大大增加了波形识别和切换的准确率，反应速度也大幅度提升。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明提供的UPS电源的切换装置包括市电供电模块10、外部电源供电模块20、电池供电模块30、电池充电模块40、MCU控制模块50、切换控制模块60和主机电源输出模块70。所述MCU控制模块50的信息采集接口ADC连接市电供电模块10、外部电源供电模块20、电池供电模块30、电池充电模块40和主机电源输出模块70。MCU控制模块50的第一交互接口IO1连接切换控制模块60，MCU控制模块50的第二交互接口IO2连接电池充电模块30。本实施例中，MCU控制模块50通过其信息采集接口ADC分别对220V的市电供电模块10、外部电源供电模块20(如12V/24V的车载电池供电模块)、电池供电模块30（如36V的锂电池供电模块）、电池充电模块40的电压/电流以及工作状态进行采样，通过对所采集的信息数据进行运算处理和分析，按照配置软件设定的优先级对上述外围的各模块进行控制管理。

所述切换控制模块60的切换接口CUT连接市电供电模块10、外部电源供电模块20和电池供电模块30，切换控制模块60的输出接口OUT连接主机电源输出模块。MCU控制模块50将输出的切换指令通过其第一交互接口IO1传输给切换控制模块60，切换控制模块60通过其切换接口CUT与相应的模块连接，以实现3路输入电源（市电交流电、外部供电、内置电池供电）之间的无缝切换，维持对负载供电的连续性。同时，切换控制模块60的输出接口OUT选择将市电供电模块10、外部电源供电模块20和电池供电模块30中的一个与主机电源输出模块70连接，为基站主机提供稳定的40V/3A电源。

其中，电池充电模块40由1片LTC1871和1片LM258组成，实现对内部锂电池恒流/恒压充电功能。当电池充电模块40检测到外部充电设备接入是，发送充电信息输入MCU控制模块50的第二交互接口IO2，通知MCU控制模块50进入充电状态。

在具体实施时，所述UPS电源还提供两个信息交互接口，一个用于将UPS系统信息上传至基站主机，一个用于与计算机交互调试。这两个信息交互接口由MCU控制模块50产生。

本实施例中，所述MCU控制模块50包括掉电识别单元、峰值检测单元和主控MCU 501（图3所示，其型号为MSP430F147），所述主控MCU 501连接掉电识别单元和峰值检测单元。掉电识别单元监控市电的交流电信号的有无，采样交流电信号的幅值并发送给主控MCU 501。峰值检测单元将交流电信号转换成直流电压，对直流电压按预设比例缩小后发送给主控MCU 501。主控MCU 501一方面用于采集市电供电模块、外部电源供电模块、电池供电模块和电池充电模块的工作参数；另一方面用于根据交流电信号的幅值计算出对应的电压值、并与预设掉电阈值进行比较来判断是否掉电，以及将缩小的直流电压与预设欠压门限值进行比较、判断市电是否掉电；根据判断结果输出相应的切换指令。

本实施例中，所述主机电源输出模块70包括升压单元、负载电流采样单元和降压单元，所述负载电流采样单元连接降压单元，所述升压单元连接主控MCU 501和切换控制模块。升压单元用于在市电掉电时，将电池供电模块输入的电池电源或外部电源供电模块输入的直流电源升压为基准电源后输出给主机供电。负载电流采样单元用于采取负载上的电流并放大后输出给主控MCU。降压单元用于对市电进行整流、降压后生成基准电源输出。

请同时参阅图2、3，所述切换控制模块60包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第一接口J1、第二接口J2、第三接口J3、第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4、第一二极管D1、第二二极管D2、第一三极管VT1、第二三极管VT2和第三三极管VT3；所述第一接口J1的第1端和第2端连接第二MOS管Q2的源极，第一接口J1的第3端和第4端接地；所述第二MOS管Q2的栅极连接第一二极管D1的正极，第二MOS管Q2的漏极连接第一MOS管Q1的漏极；所述第一二极管D1的负极连接第一MOS管Q1的栅极、第一三极管VT1的集电极和第二二极管D2的负极；所述第一MOS管Q1的源极连接第二二极管D2的正极、第三MOS管Q3的源极和主机电源输出模块70的升压单元；所述第一三极管VT1的发射极接地，第一三极管VT1的基极连接MCU控制模块50的主控MCU 501的P2.3/CA0/TA1脚；所述第三MOS管Q3的栅极连接第二三极管VT2的集电极、还通过第一电阻R1连接第三MOS管Q3的源极，第三MOS管Q3的漏极连接第二接口J2的第1端至第3端；所述第二三极管VT2的基极连接主控MCU 501的P2.4/CA1/TA2脚，第二三极管VT2的发射极接地；所述第四MOS管Q4的漏极连接第三接口J3的第1端和第2端，第四MOS管Q4的源极连接升压单元，第四MOS管Q4的漏极连接第三三极管VT3的集电极、还通过第二电阻R2连接第四MOS管Q4的源极；第三三极管VT3的基极连接主控MCU 501的P4.6/TB6脚，第三三极管的发射极接地。

由于外部电源供电模块能提供12V或24V的外部直流电源，在具体实施时，本发明预留第四接口J4来接入24V的外部直流电源。第四接口J4的第1端至第3端连接第三MOS管Q3的漏极。为了避免第三接口的12V外部直流电源倒灌至第四接口J4中，在第四接口J4与第三接口J3之间设置一二极管，其电路连接如图2所示。

当有市电交流电接入时，主控MCU 501发出低电平的信号bat_mos截止第一三极管VT1，使第一MOS管Q1、第二MOS管Q2均截止，从而断开电池供电模块，关闭内部的锂电池供电；同时发出低电平的信号dc_mos截止第二三极管VT2，使第三MOS管Q3截止，从而断开外部电源供电模块，关闭外部直流电源；还发出低电平的信号out_mos截止第三三极管VT3，从而控制第四MOS管Q4截止，UPS电源的切换装置输出的40V/3A 的电源由与市电连接的主机电源输出模块中的降压单元提供，该降压单元的具体内容将在下面阐述。

当主控MCU 501检测到市电掉电或欠压时，通过识别锂电池、外部直流电源的有无，及时切换到相应回路电源持续供给。当有外部直流电源输入时，UPS电源的切换装置切换至外部直流电源供电，此时主控MCU 501输出高电平的信号dc_mos连接外部电源供电模块，将第二接口J2输入的12V（或第四接口J4输入的24V）的外部直流电源经过升压单元升压为40V/3A后、从第三接口J3输出，实现外部直流电源供电。没有外部直流电源输入时将切换至内部锂电池供电，此时主控MCU 501输出高电平的信号bat_mos连接电池供电模块，将第一接口J1输入的电池电源（一般为36V）经过升压单元升压为40V/3A后、从第三接口J3输出，实现锂电池供电。这样就满足了外部40V/3A不间断输出的要求。

本实施例中，第一MOS管Q1和第二MOS管Q2组成双向电子开关，能完全断开内部锂电池与外部直流电源的连接，防止外部直流电源倒灌至内部锂电池。第一二极管D1和第二二极管D2用于防止双向电子开关关闭时, 内部锂电池的能量通过支路缓慢泄放掉。第三MOS管Q3能防止内部锂电池倒灌至外部直流电源。

在具体实施时，所述切换控制模块还包括保护二极管Da，其正极连接第二MOS管Q2的栅极，其负极连接第二MOS管Q2的源极。所述保护二极管Da为18V稳压二极管，能将第一MOS管Q1、第二MOS管Q2的栅极、源极上的电压钳位在18V以内，用于保护MOS管，防止MOS管因其栅极、源极电压过高而损坏。

上述提及的升压单元在内部锂电池或外部直流电源接入时，会将输入的电池电源或直流电源升压为40V/3A的电源后再输出到外部。请一并参阅图4，所述升压单元包括驱动电路100、升压芯片U1、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第五MOS管Q5、第一电感L1和第三二极管D3，所述升压芯片U1的型号为LTC1871EMS；所述驱动电路100的电源端1连接升压芯片U1的VIN端、第一MOS管Q1的源极和第三MOS管Q3的源极，驱动电路100的控制端3连接主控MCU 501的P2.6/ADC12CLK脚，驱动电路100的输出端2连接升压芯片U1的RUN端；所述升压芯片U1的FB端连接第三电阻R3的一端、第四电阻R4的一端和第五电阻R5的一端，升压芯片U1的GATE端连接第五MOS管Q5的栅极，第五MOS管Q5的源极接地，第五MOS管Q5的漏极连接第三二极管D3的正极、还通过第一电感L1连接升压芯片U1的VIN端，第三二极管D3的负极连接第三电阻R3的另一端和第四MOS管Q4的源极，第四电阻R4和第五电阻R5的另一端、以及升压芯片U1的GND端均接地。

其中，升压芯片U1为DC/DC升压控制芯片，配合其外围器件后就能将内部锂电池输入或外部直流电源输入的电源升压至稳定的40V/3A输出。当主控MCU 501检测锂电池或外部直流已经接入后，其输出约3.6V低电平的控制信号mdc_con经过驱动电路100驱动升压后，输出升压芯片U1能识别的高电平的使能信号EN，从而启动升压芯片U1开启升压。升压芯片U1的GATE端输出的电平信号控制第五MOS管Q5的导通状态，从而进行升压。所述第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5组成升压单元的电压反馈环路。升压芯片U1通过接收的电压反馈信号V1的强度及时调节驱动第五MOS管Q5的PWM占空比，使输出的40V/3A维持在稳定状态。

在具体实施时，所述升压单元还包括电流取样电阻RS，其连接在第五MOS管Q5的源极与地之间，为升压单元进行输入电流取样，电流信号输入至升压芯片U1的SENSE脚，与该升压芯片内部预设的过电流保护阀值进行比较，为输入过电流保护提供判断依据。

当市电交流电接入时，UPS电源的切换装置无需切换、或者将已切换的状态还原为市电供电，此时无需启动升压芯片U1升压。为了节省电荷、减小功耗主控MCU 501不会输出的控制信号mdc_con，驱动电路不工作，其输出低电平的使能信号EN使第一芯片U1关闭，整个升压单元停止工作。

所述驱动电路100的电路结构如图4所示，其中，所述第四三极管VT4和第五三极管VT5，为同相电平转换，用于开启或关闭升压芯片U1组成的升压电路，同时，第四三极管VT4和第五三极管VT5并且配合采样电阻R11、R12完成外部直流电源及内部锂电池输入的欠压保护电压采集。

本实施例主要是对市电掉电波形进行识别，以及对市电的峰值电压进行检测。主控MCU 501通过对交流市电、外部直流、内置锂电池的状态检测，检测结果作为电路切换方向的依据，且掉电波形识别和峰值电压检测同步进行，以满足切换电路对市电掉电、欠压、过压状态快速进行处理。

请一并参阅图5，所述掉电识别单元包括桥堆BD1、第一光耦O1、第一运放UA、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8；所述桥堆BD1的第1端连接市电的火线L，桥堆BD1的第2端连接市电的零线N，桥堆BD1的第3端依次通过第六电阻R6、第七电阻R7连接第一光耦O1的第1脚，桥堆BD1的第4端连接第一光耦O1的第2脚，第一光耦O1的第3脚通过第八电阻R8接地、还连接第一运放UA的正输入端，第一光耦O1的第4脚连接第一电源端vcc1，第一运放UA的输出端连接其负输入端、还连接主控MCU 501的P6.1/A1脚。

市电的交流电信号通过桥堆BD1全波整形后经过第六电阻R6、第七电阻R7降压后给第一光耦O1的第1脚（发射端）进行供电，第一光耦O1的第3脚（接收端）接收到桥堆BD1整形后的100HZ的交流电信号通过第一运放UA按1：1缓冲后送往主控MCU 501的P6.1/A1脚，对波行进行捕捉、软件分析、识别判断交流电的有无。本实施例对掉电波形识别采用第一光耦（光电耦合器）直接进行取样，使采样波形无失真、无相角差且更高速。

主控MCU 501对第一运放UA传输的交流电信号进行序列通道多次的12位高精度ADC采样，每次采样完成后，将此次采样结果与前5次采样结果在主控MCU 501内部进行运算，通过内置的数字滤波器去极值，滤除该6组数据中的最大值与最小值，增强主控MCU 501的抗干扰能力。这样能防止电网电压波形畸变引起结果不准造成的误判。滤除后再进行移位平均，得到与交流电幅值对应电压值，该电压值与预先设定的掉电阀值进行比较，比较结果作为市电掉电判断依据。采用去极值和移位平均算法相结合的方式，实现了检测电路高速、抗干扰、稳定性以及灵敏度指标的最佳组合。ADC工作频率为800Hz，通过对交流电信号的波形上多达6个点的数据进行采样、运算处理分析，可以在交流电信号的3/4个半波时间周期上（7.5ms)识别交流掉电。运算结果能快速、准确反应出交流电的状态，以便及时启动后备直流输入或电池输入，保证外部电源的正常供给。

其中，去极值、移位平均算法的程序如下所示。

unsigned int sub_rs_mov_avg(unsigned int *p_a,unsigned int in_data)

{ unchar i;

unsigned long out_data;

unsigned int tmp_data;

for (i=0;i<5;i++) //移位

{*p_a=*(p_a+1);

p_a++;

}

*(p_a)=in_data;

out_data=*p_a;

for(i=0;i<5;i++) //求和

{p_a--;

out_data=out_data+*p_a;

}

tmp_data=*p_a;

for (i=0; i<5; i++)

{ p_a++;

if(*p_a<tmp_data) //获得最小值

tmp_data=*p_a;

}

out_data=out_data-tmp_data;

tmp_data=*p_a;

for (i=0; i<5; i++)

{ p_a--;

if(*p_a>tmp_data) //获得最大值

tmp_data=*p_a;

}

out_data=out_data-tmp_data;

out_data>>= 2; //去极值后平均

return(out_data);

}

市电掉电波形识别的电路中，交流电信号整流后的电信号ac_down的波形如图6所示。该电信号ac_down从主控MCU 501的P6.1/A1脚进入内置的ADC模块进行ADC转换。主控MCU 501内部ADC模块采样周期为1.25ms(800HZ)，对采样后获得6组数据需要7.5ms，由图6可知，a区域范围内交流电能量密度最低（电压幅度低），通过对该a区域的6组数据去极值、平均运算处理后的结果数值最小，主控MCU 501在UPS电源的切换装置首次连上交流电正常工作后，将a区域的运算结果，减去设定的安全值，获得的结果作为预设掉电阈值，保持至主控MCU 501的寄存器内部，该预设掉电阈值将作为后续工作时市电掉电提供判断依据。

请一并参阅图7，所述峰值检测单元包括电压互感器TA5、第一电容C1、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第二运放UB和缓冲器BUF；所述电压互感器T5A的第1端连接市电的火线L，电压互感器T5A的第2端连接市电的零线N，电压互感器T5A的第3端连接第六二极管D6的正极和第七二极管D7的负极，电压互感器T5A的第4端连接第四二极管D4的负极和第五二极管D5的正极，第四二极管D4的正极连接第七二极管D7的正极、第一电容C1的一端和第二运放UB的负输入端；第五二极管D5的负极、第六二极管D6的负极、第一电容C1的另一端以及第二运放UB的正输入端均接地，第二运放UB的输出端连接缓冲器BUF的正输入端，第二运放UB的电源端连接第三电源端vcc3，缓冲器BUF的输出端连接其负输入端、还连接主控MCU的P6.0/A0脚，缓冲器BUF的电源端连接第二电源端vcc2。

市电经电压互感器T5A隔离, 按10:1比例缩小后的交流电信号再经过由第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7组成的桥式电路整流，之后由第一电容C1滤波后得到与市电峰值电压成固定比例的直流电压，第二运放UB将该直流电压再次进行比例缩小，本实施例缩小23.3倍后通过缓冲器BUF输出至主控MCU的P6.0/A0脚。主控MCU内置的ADC模块实时对交流电的峰值幅度进行检测，将检测结果（缩小的直流电压）与预设欠压门限值进行比较，检测结果低于预设欠压门限值时，即判断市电为欠压或者掉电，UPS电源的切换装置进入AC保护，主控MCU将及时切换至外部直流或内置蓄电池供电。峰值电压检测采用的电压互感器T5A具备采样线性范围广，对波形幅度的采样具有精度高的特点。

AC保护的程序如下所示。

void AC_safe_check(void){

if((AD_value[ACS]<INIT_value[ACS_H]-150)&&(AD_value[ACS]>INIT_value[ACS_L]+150))

{

AC_safe=1;

} if((AD_value[ACS]>INIT_value[ACS_H])||(AD_value[ACS]<INIT_value[ACS_L]))

{

AC_safe=0;

}

市电峰值电压检测主要为应对特殊环境下的掉电，使主控MCU能够准确做出相应处理，以及为欠压保护提供市电电压数据。特殊环境下的掉电，如电网上存在感性负载，由于电感具有阻碍电流突变的特性，掉电发生时，感性负载将产生反电动势叠加至电网，电网电压幅度缓慢降低，降低速度与感性负载大小有关，感性负载的掉电电网参考波形如图8所示。此时若仅采用上述的掉电波形识别方式或现有的识别方式将不能及时、准确对掉电进行处理，造成设备因电网电压过低而停机或工作异常。因此，本实施例采用掉电波形识别和峰值电压检测同步进行的方式，能起到双重保险作用，适用于各种场合的掉电切换。

若市电没有掉电，UPS电源的切换装置会通过降压单元直接对市电进行整流、降压处理后生成基准电源（40V/3A）输出给主机供电。请参阅图9，所述降压单元的电路结构如图9所示。市电经整流、PFC电路（此为现有技术，本发明对此不作详述）后输出的+390V的直流电压输入降压单元中，+390V的直流电压被降压至40V/3A稳定的基准电源输出（图9中的OUT_40V/3A为输出端口）。图9中降压芯片IC1的型号为UCC2808。运放IC4A（型号为LM2904M）及外围器件组成电压反馈环路。运放IC4B（型号为LM2904M）及外围器件组成电流反馈环路。MOS管Q11、Q12、Q13、Q14为驱动管，用于增强降压芯片IC1驱动耦合变压器T1的能力。

应当理解的是，本实施例中对基准电源的要求为40V/3A，在具体实施时该电压/电流值会根据实际要求相应更改，本发明对此不作限制。

采用峰值电压检测方式具备准确性高、抗干扰强的特点。而掉电波形识别方式具有速度快的特性。两种方式在多路UPS不间断电源上可实现互补，尤其在电网上感性负载比较多的情况下，峰值电压检测会更为准确地识别电网的变化。

在具体实施时，所述UPS电源的切换装置还包括负载电流采样单元，其电路结构如图10所示。该负载电流采样单元与上述降压单元连接（GD端），其对降压单元中的取样电阻R27进行取样，获取微弱的电流信号进行比例放大，放大约21倍后输出放大结果（curr）至主控MCU的D6.5/A5脚，主控MCU将根据负载电流信号强度作为输出过电流保护的判断依据。

请继续参阅图3，本实施例中MCU控制模块还具有以下功能以及对应的电路：

1、LDO稳压电路510，其第一输入端（VB）与切换控制模块中的第三MOS管Q3的源极连接，其第二输入端（V_bat）与第一接口J1的第1、2端连接，其电路结构如图3所示。其中稳压器2U1的型号为LM317 TO-220，稳压器2U2的型号为AMS1117-ADJ。该LDO稳压电路510用于为主控MCU及其他电路提供稳定的工作电源（vcc1、vcc2）。本实施例中提及的工作电源包括vcc1（+5V）、vcc2（+3.6V）、vcc3（+12V）、vcc4（+2.5V）。

2、基准电源监测电路520，其电路结构如图3所示，基准电源监测电路520与降压单元连接（OUT_40V/3A），其用于对基准电源（40V/3A）进行监测，根据输出的信号40v_volt判断基准电源的工作状态。

3、电池检测电路530，用于对内部锂电池进行检测，通过信号ch_volt检测UPS电源的切换装置内置电池的电压，根据电池电压判断电池状态；其输入端（V_bat）与第一接口J1的第1、2端连接，其电路结构如图3所示。

4、外部电源检测电路540，用于对外部直流电源进行检测，通过信号12v_volt判断UPS电源的切换装置是否接入外部电源，其输入端（12V）与第二接口J2的第1、2、3端连接，其电路结构如图3所示。

5、温度检测电路550，用于检测UPS电源的切换装置的工作温度（通过信号temp的电压值识别温度的高低），当温度过高时提醒用户或自动关闭，避免因内部温度过高导致元器件烧损，或引起火灾，其电路结构如图3所示。

本实施例还对软件方面进行改进，在波形识别、峰值数据采样以及切换控制模块的运作均采用中断处理，以保证处理的实时性。整个软件的运行由1个主进程和4个进程（进程1至进程4，也叫中断处理进程）组成，主进程负责控制MCU进行数据采集、处理及输出控制等功能。中断处理进程主要提供数据信息上传、计算机交互调试、UPS调试、系统安全保护、UPS切换等控制信号。进程1为通讯程序，完成UPS系统信息上传以及与计算机交互调试功能。

进程2根据输入的控制指令进行UPS切换，其中设置一定时程序（标识为定时器1）、采用短周期中断方式，其中断频率高于其它中断，且具备有中断最高优先级，确保UPS切换模块能快速、及时执行MCU指令。对应硬件模块时，掉电发生时MCU发送控制指令至切换控制模块，及时切换至外部电源供电模块或电池供电模块，确保对外供电的不间断性。切换时的切换优先级为市电供电模块（市电交流电）＞外部电源供电模块（外部直流供电）＞电池供电模块（内置锂电池）；切换控制模块配置的软件程序如下所示：

void ups_setup(void){

if(AD_value[AC]<INIT_value[AC_L]||(!AC_safe)) //AC断电，AC电路不做任何处理，直接进入ups接续

{

ac_start_delay=20; //设置AC下次上电时间

if(EXT_good) //外部DC大于工作电压,工作又掉电以后，需等到电压上升

ext_work();

else //外部DC电压低于8.5V ，启动内部电池工作

{if(libat_bit)

libat_work(); //内部电池启动

}

if(start_finish_timer>49)

DC40_ON;

}

进程3为掉电波形识别及峰值电压检测，由MCU内置高速AD硬件模块按一定周期独立完成数据采样。在AD数据传递到MCU时序分配上，波形识别采用快速中断方式传递实时数据。而峰值电压检测采用主进程调用模式。这样能使AD中断尽量少的占用MCU的处理时间，只有关键数据（掉电波形识别）传递时，立即产生中断，确保MCU全局的实时性。

进程4提供系统保护功能，设置另一定时程序（标识为定时器2）提供中断信号，通过系统AC保护模块、系统状态处理模块，为UPS提供市电过压保护以及市电欠压保护。

综上所述，本发明提供的UPS电源的切换装置，对硬件电路进行改进并配合软件控制同步进行峰值电压检测和掉电波形识别，在确认市电掉电时输出切换指令，将电池供电模块输入的电池电源或外部电源供电模块输入的直流电源升压为基准电源后输出给主机供电。本发明采用峰值电压检测的方式具备准确性高、抗干扰强的特点。掉电波形识别方式具有速度快的特性。两种方式在多路UPS不间断电源上可实现互补，尤其在电网上感性负载比较多的情况下，峰值电压检测会更为准确的识别电网的变化，大大增加了波形识别和切换的准确率，反应速度也大幅度提升。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种UPS电源的切换装置，用于在市电、外部电源和电池之间实现无缝切换，其包括市电供电模块、外部电源供电模块、电池供电模块和电池充电模块，其特征在于，还包括：

所述MCU控制模块的信息采集接口连接市电供电模块、外部电源供电模块、电池供电模块、电池充电模块和主机电源输出模块，MCU控制模块的第一交互接口连接切换控制模块，MCU控制模块的第二交互接口连接电池充电模块；所述切换控制模块的切换接口连接市电供电模块、外部电源供电模块和电池供电模块，切换控制模块的输出接口连接主机电源输出模块；

所述MCU控制模块包括：

主控MCU，一方面用于采集市电供电模块、外部电源供电模块、电池供电模块和电池充电模块的工作参数；另一方面用于根据交流电信号的幅值计算出对应的电压值、并与预设掉电阈值进行比较来判断是否掉电，以及将缩小的直流电压与预设欠压门限值进行比较、判断市电是否掉电；根据判断结果输出相应的切换指令。

2.根据权利要求1所述的UPS电源的切换装置，其特征在于，所述主控MCU的型号为MSP430F147，其连接掉电识别单元和峰值检测单元。

3. 根据权利要求2所述的UPS电源的切换装置，其特征在于，所述主机电源输出模块包括：

4. 根据权利要求3所述的UPS电源的切换装置，其特征在于，所述切换控制模块包括：第一电阻、第二电阻、第一接口、第二接口、第三接口、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一二极管、第二二极管、第一三极管、第二三极管和第三三极管；所述第一接口的第1端和第2端连接第二MOS管的源极，第一接口的第3端和第4端接地；所述第二MOS管的栅极连接第一二极管的正极，第二MOS管的漏极连接第一MOS管的漏极；所述第一二极管的负极连接第一MOS管的栅极、第一三极管的集电极和第二二极管的负极；所述第一MOS管的源极连接第二二极管的正极、第三MOS管的源极和升压单元；所述第一三极管的发射极接地，第一三极管的基极连接主控MCU的P2.3/CA0/TA1脚；所述第三MOS管的栅极连接第二三极管的集电极、还通过第一电阻连接第三MOS管的源极，第三MOS管的漏极连接第二接口；所述第二三极管的基极连接主控MCU的P2.4/CA1/TA2脚，第二三极管的发射极接地；所述第四MOS管的漏极连接第三接口的第1端和第2端，第四MOS管的源极连接升压单元，第四MOS管的漏极连接第三三极管的集电极、还通过第二电阻连接第四MOS管的源极；第三三极管的基极连接主控MCU的P4.6/TB6脚，第三三极管的发射极接地。

5. 根据权利要求4所述的UPS电源的切换装置，其特征在于，所述升压单元包括驱动电路、升压芯片、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第五MOS管、第一电感和第三二极管，所述升压芯片的型号为LTC1871EMS；所述驱动电路的电源端连接升压芯片的VIN端、第一MOS管的源极和第三MOS管的源极，驱动电路的控制端连接主控MCU的P2.6/ADC12CLK脚，驱动电路的输出端连接升压芯片的RUN端；所述升压芯片的FB端连接第三电阻的一端、第四电阻的一端和第五电阻的一端，升压芯片的GATE端连接第五MOS管的栅极，第五MOS管的源极接地，第五MOS管的漏极连接第三二极管的正极、还通过第一电感连接升压芯片的VIN端，第三二极管的负极连接第三电阻的另一端和第四MOS管的源极，第四电阻和第五电阻的另一端均接地。

6.根据权利要求2所述的UPS电源的切换装置，其特征在于，所述掉电识别单元包括桥堆、第一光耦、第一运放、第六电阻、第七电阻和第八电阻；所述桥堆的第1端连接市电的火线，桥堆的第2端连接市电的零线，桥堆的第3端依次通过第六电阻、第七电阻连接第一光耦的第1脚，桥堆的第4端连接第一光耦的第2脚，第一光耦的第3脚通过第八电阻接地、还连接第一运放的正输入端，第一光耦的第4脚连接第一电源端，第一运放的输出端连接其负输入端、还连接主控MCU的P6.1/A1脚。

7.根据权利要求2所述的UPS电源的切换装置，其特征在于，所述峰值检测单元包括电压互感器、第一电容、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第二运放和缓冲器；所述电压互感器的第1端连接市电的火线，电压互感器的第2端连接市电的零线，电压互感器的第3端连接第六二极管的正极和第七二极管的负极，电压互感器的第4端连接第四二极管的负极和第五二极管的正极，第四二极管的正极连接第七二极管的正极、第一电容的一端和第二运放的负输入端；第五二极管的负极、第六二极管的负极、第一电容的另一端以及第二运放的正输入端均接地，第二运放的输出端连接缓冲器的正输入端，第二运放的电源端连接第三电源端，缓冲器的输出端连接其负输入端、还连接主控MCU的P6.0/A0脚，缓冲器的电源端连接第二电源端。

8.根据权利要求2所述的UPS电源的切换装置，其特征在于，所述主控MCU对采样的交流电信号的幅值进行去极值来滤除幅值中的最大值与最小值，并通过移位平均算法得到与交流电幅值对应电压值。

9.根据权利要求2所述的UPS电源的切换装置，其特征在于，所述峰值检测单元按10:1比例缩小交流电信号后、经过整流，滤波得到直流电压，对直流电压缩小23.3倍输出至主控MCU。