CN115616318A - 一种快速检测ups负载冲击变化的电路结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速检测UPS负载冲击变化的电路结构，属于电源管理领域。本发明的电路结构包括UPS主控电路、若干个功率模块、主控制板、霍尔电流传感器He、电流上升率检测器件Lo、电阻Rq、电阻Rz、开关K1、双向信号提取模块、电阻R3、R4、Rf、滑动电阻RW1、电容C1和比较器G1。该电路结构会采用前馈控制方法提前预判投入负载的最大冲击范围，及时快速的发出休眠的功率模块唤醒信号，使UPS不间断电源系统始终能够安全的工作在较高的运行效率区间。在明显缩短检测时间的同时，又不需要大量的占用CPU等智能控制芯片的运算资源和计算时间。

Description

一种快速检测UPS负载冲击变化的电路结构

技术领域

本发明属于电源管理领域，具体涉及一种快速检测UPS负载冲击变化的电路结构。

背景技术

随着现代化社会的高速发展，以数据通信为基础的云计算、大数据和人工智能应用等催生了计算机数据中心的大发展。数据中心的核心是由大量服务器、交换机等高档精密的微电子设备组成，所传输处理的又都是低电压高频脉冲数字信号，这些精密的微电子设备极易受到电网中各种浪涌、下陷、瞬间掉电、高压尖峰等高频脉冲的影响，损害微电子器件、芯片、主板，同时也会对数据运算结果造成严重干扰或大量丢失数据，为保障数据中心内服务器、交换机等数据通信设备的长期稳定、安全可靠的工作，数据中心、计算机站等场合都会配置UPS不间断电源系统，用来净化电网供电条件，改善计算机数据中心的局部供电环境。

所以，UPS不间断电源系统就成为数据中心建设必须配置的最基本设备。为了确保数据中心的运行安全和稳定工作，UPS系统大都会采用冗余/容错的供电系统设计方案，UPS系统的冗余度越高安全性就越好，但UPS电源的带载率就会越低。由于UPS在轻载运行时的整机变换效率比正常带载率时低10％左右，对数据中心电能利用效率(PUE)会产生较大不良影响。据大量统计数据分析，在多机并联及模块化UPS不间断电源系统供电的数据中心中，70％以上数据中心的UPS运行带载率会低于25％，属于长期工作在轻载运行区间，UPS系统的运行效率低、相对损耗大，PUE值难以达到设计规范要求。

为了提高UPS不间断电源系统的长期工作效率，改善数据中心电能利用效率(PUE)指标，目前主流UPS厂家开始采用功率模块休眠技术来提高轻载工作下的UPS系统运行效率，当UPS负载增加到一定程度时再快速唤醒休眠功率模块的控制管理方法，只要负载投入时唤醒的时间足够快，UPS系统就能够始终安全工作在较高的运行效率区间，达到改善PUE指标的目的，同时UPS功率模块的运行寿命也可以得到大幅度提高。

所以，能够快速的检测出大功率/冲击性负载投入时间和大小，准确快速判断并及时唤醒休眠的功率模块，使其安全的投入正常运行，就是该类型模块化UPS产品设计时要考虑的重要环节之一，检测需要的时间越短，留给功率模块唤醒操作的时间就越充足，投入扩容运行的安全度就越高。

目前通常采用以下两种方法来检测负载电流情况：

峰值电流法：输出回路上的霍尔电流传感器采集负载实时电流反馈信号给运算比较芯片，与预先设定的唤醒阈值进行计算比较，当采集到的负载峰值电流信号超过预定阈值时，说明目前负载已经脱离轻载范围，就会对休眠的功率模块发出唤醒指令，以便系统可以在较高的工作效率区间长期运行，达到节能降耗、优化PUE指标的目的。此方法检测到的负载电流是已经实际达到的真实负载电流，同时还应在交流电流的信号峰值点上进行采样，所得负载电流数据才比较准确。这种测试方法的不足之处是：因负载多样化的原因，采样峰值点难以事先确定，只能多占用CPU的计算资源，加密采样点来减少采样误差。另外，如果投入的负载比较重、电流上升速率高，在负载电流已经达到唤醒阈值的基础上才开始发出唤醒指令，可能会因唤醒操作时间不够充足，负载冲击电流就已经上升到超过轻载功率模块的承受能力，造成唤醒失败的严重后果。

实时波形计算法：对输出回路上的霍尔电流传感器采集到的输出电流信号波形进行密集分割，CPU大幅度增加定时采样和检测计算频次，采用多点采样、实时计算、快速判断的方法来评估负载增加的趋势，针对不同负载实际情况，采取的控制响应策略也可以多样化，可超前预判负载电流发展走向，响应速度快、控制效果好，检测频次越高响应速度就越快，留给功率模块唤醒并快速启动的时间就越多、投入扩容运行的安全度就越高。但每次都需要对检测采样数据作同样的计算与判断，控制策略越复杂多样化，占用CPU的运算时间等资源就越多。长期大量占用CPU芯片宝贵的运算资源，对UPS系统中其他性能和控制响应速度的提高会产生不利影响。

本发明正是为了解决以上负载电流检测控制方法不足的现实需求而产生的。本发明提出了一种比常规检测速度更快，又不会长期占用UPS计算资源、成本又低的新型负载电流检测方法和电路结构，可以对负载电流双向突变进行快速检测，对突加负载进行前馈采样、快速响应，及时发出UPS休眠功率模块的唤醒信号，大大减少唤醒失败的风险，保障机房设备的供电安全和稳定工作。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提供一种快速检测UPS负载冲击变化的电路结构，以解决目前常规负载冲击电流检测控制方法的不足之处。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种快速检测UPS负载冲击变化的电路结构，该电路结构包括UPS主控电路、若干个功率模块、主控制板、霍尔电流传感器He、电流上升率检测器件Lo、电阻Rq、电阻Rz、开关K1、双向信号提取模块、电阻R3、R4、Rf、滑动电阻RW1、电容C1和比较器G1。

其中，UPS主控电路的输入端连接Ui和电池组，输出端连接若干个功率模块，功率模块的输出端连接霍尔电流传感器He，霍尔电流传感器He的输出连接主控制板的AD采样端和双向信号提取模块的输入端，双向信号提取模块的另一个输入端通过电阻Rq与开关K1、电阻Rz的并联电路接地；双向信号提取模块的第一输出端通过电阻R4连接比较器G1的正极，第二输出端通过电阻R3连接比较器G1的正极，第三输出端通过滑动电阻RW1连接+V，滑动电阻RW1的滑动端连接比较器G1的负极；比较器G1的正极与双向信号提取模块的第三输出端之间连接电容C1；比较器G1的正极通过电阻Rf连接比较器G1的输出端，比较器G1的输出端，连接主控板的INT0口，主控板的输出连接功率模块和UPS主控电路。

其中，电流上升率检测电感Lo、双向信号提取模块、比较器G1组成快速检测UPS负载冲击变化的脉冲波形检测比较电路，突加的负载电流上升率在电流上升率检测电感Lo两端转变成电压信号，进入双向信号提取模块后转变成比较器G1可以接受的信号电平，比较器G1产生相应的信号送到主控制板的INT0口，主控制板内的智能芯片进行智能运算后，适时发出唤醒指令。

进一步地，突加负载大电流上升率就大，在电流上升率检测电感Lo两端的检测电压尖峰就越高，当主控制板判断瞬间电流上升率超过目前负载电流的3～5倍时，认为有比较大的负载投入，需要唤醒休眠的功率模块。

进一步地，电流上升率检测电感Lo两端的电压有效值与负载电流有效值成正比，该电压有效值信号反映了UPS系统的实时负载状态。

进一步地，双向信号提取模块将双向尖峰信号改变为单向尖峰信号，同时将实时电流有效值信号作整流变换处理，给后级作阈值参数修正使用。

进一步地，以RW1上升率阈值给定和比较器G1为核心组成信号发生器，上升率阈值给定是一个事先设定的电压值，作为比较器翻转动作的门槛电压，检测到的电压信号超过该阈值后，比较器G1就会动作。

进一步地，R3和C1组成小信号抑制和干扰滤波电路，对小范围的负载波动和电路中的小尖峰干扰信号进行抑制或滤除，当经过滤波后的电流上升率信号超过RW1预先设定的阈值后，比较器G1组成的信号发生器翻转动作，发出中断请求信号，该信号同时还给主板上其他电路功能模块发出预警，开启相关电路功能，待唤醒信号到达后能快速投入工作。

进一步地，R3、R4、Rf组成翻转阈值参数的修正网络，当负载增大时从双向信号提取模块输出的电流有效值信号反馈到RW1连接的比较器G1的“-”端子上的负载有效值电压也增加，对翻转阈值点进行补偿。

进一步地，比较器G1、RW1、Rf组成信号发生器，在冲击电流上升率超过预定阈值后，信号发生器发出CPU智能芯片对应的中断请求波形信号，激活CPU的中断功能。

进一步地，CPU芯片收到信号发生器送过来的中断请求信号后，立即根据中断优先等级安排进行快速响应与处理，对相关信号进行数字滤波与校正，并对目前数据和历史数据进行对比计算与核实，调用实际负载和突加负载计算程序，对突加负载可能达到的上升范围进行前馈判断计算，然后运行相应的控制策略程序并发出相关执行指令，进行实际唤醒操作。

进一步地，相关信号包括：负载电流上升率信号、当前负载电流有效值信号、历史负载电流有效值信号、系统冗余度、当前UPS工作状态和休眠的功率模块数量。

(三)有益效果

本发明提出一种快速检测UPS负载冲击变化的电路结构，与采用峰值电流法相比，本方法在负载刚开始投入，真实的负载电流还没有达到较大阈值之前就能够超前做出响应，为休眠模块的唤醒操作争取了更多的时间。同时也可避免采样峰值检测点位不准确带来的误差和响应滞后。

与采用实时波形计算法相比，本方法不需要定期、定时、大量的占用CPU芯片的计算资源，来对密集的采样信号每次都进行计算评估。只需要在突加负载电流可能达到唤醒阈值时进行超前计算和评估，根据实际情况和需要来执行对应的控制策略，大大节省了CPU智能芯片的计算资源。

综上所述，本发明提供的一种基于常规模块化UPS基础上的快速检测UPS负载冲击变化的方法及电路结构，所述的负载冲击电流的检测方式与常规霍尔电流检测方法完全不同，但又十分简便与有效，只需要在常规模块化UPS系统的基础上进行局部微调改进，几乎不增加成本和售价，就可以达到超前检测突加负载电流、快速唤醒休眠的功率模块的目的，使UPS系统能够长期稳定工作在较高的运行效率范围区间。

附图说明

图1为本发明方法流程示意图；

图2为本发明方法实施例示意图；

图3是原负载电流检测方法示意图；

图4为本发明快速检测UPS负载冲击变化的方法及电路结构示意图；

图5为突加负载电流在检测电感上的检测电压波形示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明涉及一种用于UPS不间断电源系统的，快速检测UPS负载冲击变化的方法及电路结构，特别是涉及在模块化UPS轻载情况下，有部分功率模块处于休眠状态，当较大负载瞬间投入时需要快速唤醒的应用场合，利用本文设计的快速检测方法与电路结构，可以在不大量占用CPU等智能控制芯片计算资源和运算时间的前提下，明显缩短检测时间、快速发出功率模块唤醒指令。

本发明提供一种基于常规模块化UPS基础上的快速检测UPS负载冲击变化的方法及电路结构，采用如上所述的快速检测UPS负载冲击变化的方法及电路结构，可以更快、更早的检测出突加负载电流信号，为提前发出唤醒指令争取更多的时间。图4为本发明检测控制系统电路结构示意图，如图4所示，包括：

该检测控制系统电路结构包括UPS主控电路、若干个功率模块、主控制板、霍尔电流传感器He、电流上升率检测器件Lo、电阻Rq、电阻Rz、开关K1、双向信号提取模块、电阻R3、R4、Rf、滑动电阻RW1、电容C1和比较器G1，

其中，UPS主控电路的输入端连接Ui和电池组，输出端连接若干个功率模块，功率模块的输出端连接霍尔电流传感器He，霍尔电流传感器He的输出连接主控制板的AD采样端和双向信号提取模块的输入端，双向信号提取模块的另一个输入端通过电阻Rq与开关K1、电阻Rz的并联电路接地；双向信号提取模块的第一输出端通过电阻R4连接比较器G1的正极，第二输出端通过电阻R3连接比较器G1的正极，第三输出端通过滑动电阻RW1连接+V，滑动电阻RW1的滑动端连接比较器G1的负极；比较器G1的正极与双向信号提取模块的第三输出端之间连接电容C1；比较器G1的正极通过电阻Rf连接比较器G1的输出端，比较器G1的输出端，连接主控板的INT0口，主控板的输出连接功率模块和UPS主控电路。

其中，电流上升率检测电感Lo、双向信号提取模块、比较器G1组成一种快速检测UPS负载冲击变化的脉冲波形检测比较电路，突加的负载电流上升率在Lo两端转变成电压信号，进入双向信号提取模块后转变成比较器G1可以接受的信号电平，比较器G1产生相应的信号送到主控制板的INT0口，主控制板内的智能芯片进行智能运算后，适时发出唤醒指令。

其中，电流上升率检测电感Lo：在输出总回路中的电感可以快速的反映出负载电流的上升率，起到负载信号前馈提取的作用，因其电感值很小，附加的电阻值几乎可以忽略不计，不会对UPS系统的运行效率产生任何影响。

其中，突加负载冲击电流范围检测：由于电感器件的物理特性决定了流过电感的电流不会发生突变，但电流上升率检测电感Lo两端的电压却可以突变，其最大值与流过电感的电流上升率有直接关系，计算公式为：UL＝L*di/dt(V)；突加负载大电流上升率就大，在电流上升率检测电感Lo两端的检测电压尖峰就越高，其波形如图5所示。当主控制板判断瞬间电流上升率超过目前负载电流的3～5倍时，就可认为有比较大的负载投入，需要唤醒休眠的功率模块了。所以，不用等电流真正上升到规定阈值，就可以提前预判负载电流可能上升到的区间范围，为唤醒操作争取更多的时间，更好的保障休眠功率模块可以安全的投入带载运行工作状态。

负载电流有效值检测：当UPS系统的实际负载接近唤醒区间时，较小的负载投入也要及时唤醒休眠的功率模块，不能再沿用上述3～5倍的判断依据，所以需要对此参数进行修正。电流上升率检测电感Lo两端的电压有效值与负载电流有效值成正比，计算公式为：

UL＝If*ωL(V)。

其中，If是负载电流有效值。

该电压有效值信号反映了UPS系统的实际负载状态，利用同一个电感器件L0取得两种电流信号进行控制策略的计算与综合，就可以实时修正唤醒信号阈值，保障UPS系统快速安全的工作。

双向前馈电流信号提取：为了快速响应突加负载的情况，对波形正、负半周不同时间段发生的突加负载电流上升率尖峰信号都必须立即提取，进行计算与判断，这就需要进行高速检波处理，如图4所示，通过双向信号提取模块可将双向尖峰信号改变为单向尖峰信号，便于给后级作计算处理。同时也将实时电流有效值信号作整流变换处理，给后级作阈值参数修正使用。

冲击电流斜率判断与修正：该部分以RW1上升率阈值给定和比较器G1为核心组成信号发生器，如图4所示，包括小信号及干扰处理、负载功率偏差修正两个功能。其中，上升率阈值给定是一个事先设定的电压值，作为比较器翻转动作的门槛电压，检测到的电压信号超过该阈值后，比较器G1就会动作。

小信号及干扰处理：R3和C1组成小信号抑制和干扰滤波电路，对小范围的负载波动和电路中的小尖峰干扰信号进行抑制或滤除，减少不必要的资源占用和系统震荡，提高UPS系统的工作稳定性。当经过滤波后的电流上升率信号超过RW1预先设定的阈值后，比较器G1组成的信号发生器翻转动作，发出中断请求信号，该信号同时还给主板上其他电路功能模块发出预警，开启相关电路功能，待唤醒信号到达后可以快速投入工作。

负载功率偏差修正：图4中的R3、R4、Rf组成翻转阈值参数的修正网络，当负载增大时从双向信号提取模块输出的电流有效值信号反馈到RW1连接的比较器G1的“-”端子上的负载有效值电压也增加，对翻转阈值点进行适当补偿，提前进入比较器G1的翻转动作区间,同时可使信号发生器工作更加稳定。

休眠模块唤醒：包括冲击中断信号产生、唤醒指令核实产生两个步骤。冲击中断信号产生，主要由比较器G1、RW1、Rf组成信号发生器，在冲击电流上升率超过预定阈值后，信号发生器发出CPU智能芯片对应的中断请求波形信号，激活CPU的中断功能。

唤醒指令核实产生：CPU芯片收到信号发生器送过来的中断请求信号后，立即根据中断优先等级安排进行快速响应与处理，对相关信号进行数字滤波与校正，并对目前数据和历史数据进行对比计算与核实，调用实际负载和突加负载计算程序，对突加负载可能达到的上升范围进行前馈判断计算，然后运行相应的控制策略程序并发出相关执行指令，进行实际唤醒操作。相关信号包括：负载电流上升率信号、当前负载电流有效值信号、历史负载电流有效值信号、系统冗余度、当前UPS工作状态、休眠的功率模块数量等。

本发明所要解决的技术问题是对现有方法响应速度慢、误差大，或者是大量占用CPU运算资源、影响其他性能指标响应速度的不足之处进行改进，本发明还提供一种快速检测UPS负载冲击变化的方法，在基于现有模块化UPS产品功能部件的基础上进行改进，以改善目前常规负载冲击电流检测控制方法的不足之处，将对每次采样数据都进行运算评估的方法，改为只对发生负载大冲击变化时的采样数据进行运算评估的方法，极大减少了需要CPU芯片运算评估的次数。可在快速检测负载冲击电流的同时，充分释放原系统CPU智能芯片被占用的运算能力，提高了UPS主机其他相关性能操作的响应速度，同时为日后进一步改进提升模块化UPS产品的性能预留更多的运算能力资源。

为了达到上述目的，本发明提供了一种快速检测UPS负载冲击变化的方法，包括：

(1)负载电流检测环节：采用串联在输出回路中的电感器件检测冲击负载电流反馈信号，取得电流上升率等突加负载容量大小的信息，为预判突加负载未来可能达到的范围提供依据。

(2)双向前馈电流信号提取环节：将不同交流波形时间点投入的突加负载电流信号及时提取出来，同时将不同幅度的正、负脉冲信号改造成与检测电路相适应的电流信号波形。

(3)冲击电流斜率判别环节：对采集到的突加负载冲击电流上升率信号进行小信号干扰滤除，预判突加负载可能区间，发出功率模块预唤醒信号。

(4)休眠模块唤醒环节：对预唤醒信号和实际负载电流数据进行控制策略运算，控制相关功率模块的唤醒投入、封锁关闭等操作。

上述基于常规模块化UPS基础上的快速检测UPS负载冲击变化的方法及电路结构，所述冲击电流的检测方式与常规霍尔电流检测器件不同，首先是需要在模块化UPS的输出总回路上串联加入一个与测试方法配套的电感，在串联的电感两端取出突加冲击电流的前馈上升率信号，这时的实际电流还很小，但前馈检测信号幅度却可以很大，可以超前采取对应控制策略，增加的串联检测电感的阻值很小，在上面的能量损耗可以忽略，对原UPS的性能和参数没有任何不利影响。

上述基于常规模块化UPS基础上的快速检测UPS负载冲击变化的方法及电路结构，所述的负载电流检测环节还包括：

(1)冲击峰值范围检测：突加负载所产生的冲击电流，在输出回路中串联的采样电感两端产生一个瞬间冲击尖峰电压，从尖峰电压的最大幅值与电流上升率的关联度，可间接反映出未来负载电流可能达到的空间范围。

(2)有效值范围检测:突加负载的冲击电流尖峰过去后，输出回路中串联的采样电感两端产生的是实际负载电流有效值信号，用以加快检测响应速度并修正检测结果的偏差。

上述基于常规模块化UPS基础上的快速检测UPS负载冲击变化的方法及电路结构，所述的冲击电流斜率判别环节还包括：

(1)小信号及干扰处理环节:对轻载下的负载正常波动、少量负载的启停干扰等不需要休眠功率模块唤醒的情况，进行滤波与排除处理，使UPS系统免于频繁唤醒操作，工作状态更加稳定、安全，运行效率更高。

(2)负载功率偏差修正环节:参考目前实际负载有效值大小，对检测到的突加冲击电流信号进行修正。实际负载较小时减少动作阈值区间，提高系统工作稳定性，实际负载较大时缩短响应时间，加快唤醒动作的速度。

上述基于常规模块化UPS基础上的快速检测UPS负载冲击变化的方法及电路结构，所述的休眠模块唤醒环节还包括：

(1)冲击中断信号产生环节:前馈的电流冲击信号经过修正后，如果超过预设的翻转阈值，则信号发生器就会发出脉冲中断申请信号给CPU芯片，同时通知相关电路模块做好休眠模块的唤醒准备。

(2)唤醒指令核实产生环节:CPU智能芯片在收到中断申请后立即激活负载投入评估计算程序，结合以往测试数据和本次采样数据进行数字滤波和计算评估，在实际负载电流还没有真正达到动作阈值之前，就能够根据评估数据超前启动对应控制策略流程，大大缩短响应时间。

实施例1

图3是模块化UPS原总负载电流检测方法的原理示意图，如图3所示,模块化UPS的实际负载是通过霍尔电流传感器He采集的电流波形信号来体现和计算的，可完整反映出电流的实际动态波形，结合电压采样数据对其进行计算后，就可以得到电流的峰值、有效值、上升率，以及负载的有功功率、视在功率、峰值功率等数据，并利用这些数据对UPS系统进行相关控制与管理。

图1为本发明方法的流程示意图，如图1所示，本发明提供的一种快速检测UPS负载冲击变化的方法包括：

负载电流检测环节S1:采用串联在输出回路中的电流上升率检测器件Lo检测冲击负载电流反馈信号，取得电流上升率等突加负载容量大小的信息，为预判突加负载未来可能达到的范围提供依据。

双向前馈电流信号提取环节S2:将不同交流波形时间点投入的突加负载电流瞬时信号及时提取出来，同时将不同幅度的正、负脉冲信号改造成与脉冲波形检测比较电路相适应的电流信号波形。

冲击电流斜率判别环节S3:对采集到的突加负载冲击电流上升率信号进行小信号干扰滤除，预判突加负载可能区间，发出功率模块预唤醒信号。

休眠模块唤醒环节S4:对预唤醒信号和实际负载电流数据进行控制策略运算，控制相关功率模块的唤醒投入、封锁关闭等操作。

其中，如图1所示，上述基于常规模块化UPS基础上的快速检测UPS负载冲击变化的方法及电路结构，所述的负载电流检测环节S1还包括：

冲击峰值范围检测环节S11:突加负载所产生的冲击电流，在输出回路中串联的电流上升率检测电感Lo两端产生一个瞬间冲击尖峰电压，从尖峰电压的最大幅值与电流上升率的关联度，可间接反映出未来负载电流可能达到的空间范围。

有效值范围检测环节S12:突加负载的冲击电流尖峰过去后，输出回路中串联的电流上升率检测电感Lo两端产生的是实际负载电流有效值信号，用以加快检测响应速度并修正检测结果的偏差。

如图1所示，上述基于常规模块化UPS基础上的快速检测UPS负载冲击变化的方法及电路结构，所述的冲击电流斜率判别环节S3还包括：

小信号及干扰处理环节S31:对轻载下的负载正常波动、少量负载的启停干扰等不需要休眠功率模块唤醒的情况，进行滤波与排除处理，使UPS系统免于频繁唤醒操作，工作状态更加稳定、安全，运行效率更高。

负载功率偏差修正环节S32:双向信号提取模块还输出另一路负载电流有效值信号电平，送入比较器G1的另一个输入端，通过实际负载电流有效值来修正比较器的触发门槛电压，提高稳定性。参考目前实际负载有效值大小，对检测到的突加冲击电流信号进行修正。实际负载较小时减少动作阈值区间，提高系统工作稳定性，实际负载较大时缩短响应时间，加快唤醒动作的速度。

如图1所示，上述基于常规模块化UPS基础上的快速检测UPS负载冲击变化的方法及电路结构，所述的休眠模块唤醒环节S4还包括：

冲击中断信号产生环节S41:前馈的电流冲击信号经过修正后，如果超过预设的翻转阈值，则信号发生器就会发出脉冲中断申请信号给CPU芯片，同时做好休眠的功率模块的唤醒准备。

唤醒指令核实产生环节S42:CPU智能芯片在收到中断申请后立即激活负载投入评估计算程序，结合以往测试数据和本次采样数据进行数字滤波和计算评估，在实际负载电流还没有真正达到动作阈值之前，就能够根据评估数据超前启动对应控制策略流程，大大缩短响应时间。

对不同的情况负载冲击电流情况有不同的针对性处理应对方法--即控制策略，具体的控制策略是由许多算法子程序组成，输入条件不同时对应的算法子程序就不同，休眠模块的唤醒方法、数量、时间就会不同，UPS就可以在快速唤醒的前提下更加高效稳定的工作。

下面结合附图和上述具体实施方式，对本发明做进一步的说明。

本发明公开了一种基于常规模块化UPS基础上的快速检测UPS负载冲击变化的方法及电路结构，图2为本发明方法实施例流程示意图，如图2所示，该方法包括：

步骤S110：为正确反映外部负载的实际大小，必须在主机总输出回路上串入检测用电感器件，电感器件两端电压的瞬间电压ULs＝L*di/dt，对应于突加负载电流的上升率，突加负载越大瞬间电压ULs就越高，由此可以超前反映出负载电流可能上升到范围空间。

步骤S120：因实际负载大小会影响对负载电流上升范围的判定，需要对S110采集到的电流上升率信号进行修正，加快唤醒信号发出速度，采集这时的电感两端电压有效值UL＝I*ωL，供计算修正使用。

步骤S2：将不同交流波形时间点在串联电感上的突加负载电流瞬时信号，以及当前实时的负载有效值信号都及时提取出来，同时将不同幅度的正、负脉冲信号改造成与检测电路相适应的电压信号波形。

步骤S310：对于正常的负载波动和较小的负载投入，系统并不需要唤醒新的功率模块进行应对，电路自动进行滤波屏蔽处理，并不发出中断请求信号，以减少对CPU计算资源的占用。

步骤S320：当目前负载容量已经接近唤醒值时，一个较小的突加负载就可以投入唤醒操作了，所以必须对瞬间电流上升率信号阈值进行适当修正，以期达到快速响应、安全投入的目的。

步骤S410：当突加负载检测信号超过预定阈值后，中断信号发生器发出一个中断申请信号，通知CPU开始调用计算程序，同时向其他相关电路模块发出预警，提前进行相关预唤醒准备。

步骤S420：CPU智能芯片收到突加负载的申请信号后，按照中断申请优先级别立即做出响应，调用响应计算与评估程序，结合以往采集保留的数据进行数字滤波和前馈计算处理，预判负载电流可能达到的空间和时间，分别发出不同情况下的控制策略指令。

与采用峰值电流法相比，本方法在负载刚开始投入，真实的负载电流还没有达到较大阈值之前就能够超前做出响应，为休眠模块的唤醒操作争取了更多的时间。同时也可避免采样峰值检测点位不准确带来的误差和响应滞后。

与采用实时波形计算法相比，本方法不需要定期、定时、大量的占用CPU芯片的计算资源，来对密集的采样信号每次都进行计算评估。只需要在突加负载电流可能达到唤醒阈值时进行超前计算和评估，根据实际情况和需要来执行对应的控制策略，大大节省了CPU智能芯片的计算资源。

综上所述，本发明提供的一种基于常规模块化UPS基础上的快速检测UPS负载冲击变化的方法及电路结构，所述的负载冲击电流的检测方式与常规霍尔电流检测方法完全不同，但又十分简便与有效，只需要在常规模块化UPS系统的基础上进行局部微调改进，几乎不增加成本和售价，就可以达到超前检测突加负载电流、快速唤醒休眠的功率模块的目的，使UPS系统能够长期稳定工作在较高的运行效率范围区间。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种快速检测UPS负载冲击变化的电路结构，其特征在于，该电路结构包括UPS主控电路、若干个功率模块、主控制板、霍尔电流传感器He、电流上升率检测器件Lo、电阻Rq、电阻Rz、开关K1、双向信号提取模块、电阻R3、R4、Rf、滑动电阻RW1、电容C1和比较器G1。

其中，UPS主控电路的输入端连接Ui和电池组，输出端连接若干个功率模块，功率模块的输出端连接霍尔电流传感器He，霍尔电流传感器He的输出连接主控制板的AD采样端和双向信号提取模块的输入端，双向信号提取模块的另一个输入端通过电阻Rq与开关K1、电阻Rz的并联电路接地；双向信号提取模块的第一输出端通过电阻R4连接比较器G1的正极，第二输出端通过电阻R3连接比较器G1的正极，第三输出端通过滑动电阻RW1连接+V，滑动电阻RW1的滑动端连接比较器G1的负极；比较器G1的正极与双向信号提取模块的第三输出端之间连接电容C1；比较器G1的正极通过电阻Rf连接比较器G1的输出端，比较器G1的输出端，连接主控板的INT0口，主控板的输出连接功率模块和UPS主控电路。

其中，电流上升率检测电感Lo、双向信号提取模块、比较器G1组成快速检测UPS负载冲击变化的脉冲波形检测比较电路，突加的负载电流上升率在电流上升率检测电感Lo两端转变成电压信号，进入双向信号提取模块后转变成比较器G1可以接受的信号电平，比较器G1产生相应的信号送到主控制板的INT0口，主控制板内的智能芯片进行智能运算后，适时发出唤醒指令。

2.如权利要求1所述的快速检测UPS负载冲击变化的电路结构，其特征在于，突加负载大电流上升率就大，在电流上升率检测电感Lo两端的检测电压尖峰就越高，当主控制板判断瞬间电流上升率超过目前负载电流的3～5倍时，认为有比较大的负载投入，需要唤醒休眠的功率模块。

3.如权利要求1所述的快速检测UPS负载冲击变化的电路结构，其特征在于，电流上升率检测电感Lo两端的电压有效值与负载电流有效值成正比，该电压有效值信号反映了UPS系统的实时负载状态。

4.如权利要求1所述的快速检测UPS负载冲击变化的电路结构，其特征在于，双向信号提取模块将双向尖峰信号改变为单向尖峰信号，同时将实时电流有效值信号作整流变换处理，给后级作阈值参数修正使用。

5.如权利要求1所述的快速检测UPS负载冲击变化的电路结构，其特征在于，以RW1上升率阈值给定和比较器G1为核心组成信号发生器，上升率阈值给定是一个事先设定的电压值，作为比较器翻转动作的门槛电压，检测到的电压信号超过该阈值后，比较器G1就会动作。

6.如权利要求5所述的快速检测UPS负载冲击变化的电路结构，其特征在于，R3和C1组成小信号抑制和干扰滤波电路，对小范围的负载波动和电路中的小尖峰干扰信号进行抑制或滤除，当经过滤波后的电流上升率信号超过RW1预先设定的阈值后，比较器G1组成的信号发生器翻转动作，发出中断请求信号，该信号同时还给主板上其他电路功能模块发出预警，开启相关电路功能，待唤醒信号到达后能快速投入工作。

7.如权利要求5所述的快速检测UPS负载冲击变化的电路结构，其特征在于，R3、R4、Rf组成翻转阈值参数的修正网络，当负载增大时从双向信号提取模块输出的电流有效值信号反馈到RW1连接的比较器G1的“-”端子上的负载有效值电压也增加，对翻转阈值点进行补偿。

8.如权利要求1-7任一项所述的快速检测UPS负载冲击变化的电路结构，其特征在于，比较器G1、RW1、Rf组成信号发生器，在冲击电流上升率超过预定阈值后，信号发生器发出CPU智能芯片对应的中断请求波形信号，激活CPU的中断功能。

9.如权利要求8所述的快速检测UPS负载冲击变化的电路结构，其特征在于，CPU芯片收到信号发生器送过来的中断请求信号后，立即根据中断优先等级安排进行快速响应与处理，对相关信号进行数字滤波与校正，并对目前数据和历史数据进行对比计算与核实，调用实际负载和突加负载计算程序，对突加负载可能达到的上升范围进行前馈判断计算，然后运行相应的控制策略程序并发出相关执行指令，进行实际唤醒操作。

10.如权利要求9所述的快速检测UPS负载冲击变化的电路结构，其特征在于，相关信号包括：负载电流上升率信号、当前负载电流有效值信号、历史负载电流有效值信号、系统冗余度、当前UPS工作状态和休眠的功率模块数量。

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