一种ups电源的切换装置制造方法
【专利摘要】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。
【专利说明】—种UPS电源的切换装置
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]因而现有技术还有待改进和提高。
【发明内容】
[0005]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。
[0006]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的第一交互接ロ连接切换控制模块，MCU的第二交互接ロ连接电池充电模块；所述切换控制模块的切換接ロ连接市电供电模块、外部电源供电模块和电池供电模块，切換控制模块的输出接ロ连接主机电源输出模块。
[0007]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 ；
峰值检测単元，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縮小后发送给主控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參数；另ー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換指令；
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。
[0008]所述的UPS电源的切換装置中，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。
[0009]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、第一接ロ、第二接ロ、第三接ロ、第一 MOS管、第二 MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一ニ极管、第二ニ极管、第一三极管、第二三极管和第三三极管；所述第一接ロ的第I端和第2端连接第二 MOS管的源扱，第一接ロ的第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管的漏扱；所述第一ニ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ニ极管的负极；所述第一 MOS管的源极连接第ニニ极管的正极、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扱、还通过第一电阻连接第三MOS管的源扱，第三MOS管的漏极连接第二接ロ ；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ロ的第I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。
[0010]所述的UPS电源的切換装置中，所述升压単元包括驱动电路、升压芯片、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第五MOS管、第一电感和第三ニ极管，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管的漏极连接第三ニ极管的正扱、还通过第一电感连接升压芯片的VIN端，第三ニ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。
[0011]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I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I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。
[0012]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I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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明UPS电源的切换装置的结构框图。
[0017]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。
[0018]图3为本发明UPS电源的MCU控制模块的电路图。
[0019]图4为本发明UPS电源的切换装置中升压单元的电路图。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]图8为本发明存在感性负载的掉电电网波形图。
[0024]图9为本发明UPS电源的降压单元的电路图。[0025]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】
[0026]针对现有交流掉电不能及时、准确判定的问题，本发明提供ー种UPS电源的切換装置及切換方法，通过对UPS电源切換技术的综合考虑，确认UPS电源切換的主要因素是在于交流电的掉电识别，故针对多路UPS电源交流电的切換，对现有的交流掉电识别进行改进一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，及时提供切換信号；大大增加了波形识别和切換的准确率，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，以下參照附图并举实施例对本发明进ー步详细说明。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。
[0027]请參阅图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的信息采集接ロ 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的第一交互接ロ IOl连接切换控制模块60，MCU控制模块50的第二交互接ロ 102连接电池充电模块30。本实施例中，MCU控制模块50通过其信息采集接ロ 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。
[0028]所述切换控制模块60的切換接ロ 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的输出接ロ OUT连接主机电源输出模块。MCU控制模块50将输出的切換指令通过其第一交互接ロ IOl传输给切换控制模块60，切换控制模块60通过其切换接ロ 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)之间的无缝切換，维持对负载供电的连续性。同时，切换控制模块60的输出接ロ 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中的ー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。
[0029]其中，电池充电模块40由I片LTC1871和I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的第二交互接ロ 102，通知MCU控制模块50进入充电状态。
[0030]在具体实施时，所述UPS电源还提供两个信息交互接ロ，ー个用于将UPS系统信息上传至基站主机，一个用于与计算机交互调试。这两个信息交互接ロ由MCU控制模块50产生。
[0031]本实施例中，所述MCU控制模块50包括掉电识别单元、峰值检测単元和主控MCU501 (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単元。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縮小后发送给主控MCU 501。主控MCU 501 —方面用于米集市电供电模块、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。
[0032]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。
[0033]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Dl、第二二极管D2、第一三极管VTl、第二三极管VT2和第三三极管VT3 ;所述第一接口 Jl的第I端和第2端连接第二 MOS管Q2的源极，第一接口 Jl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Dl的正极，第二 MOS管Q2的漏极连接第一 MOS管Ql的漏极；所述第一二极管Dl的负极连接第一 MOS管Ql的栅极、第一三极管VTl的集电极和第二二极管D2的负极；所述第一 MOS管Ql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VTl的发射极接地，第一三极管VTl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Rl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I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I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。
[0034]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I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。
[0035]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VTl，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dcjnos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outjnos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。
[0036]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dcjnos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、从第三接ロ 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，将第一接ロ Jl输入的电池电源(一般为36V)经过升压单元升压为40V/3A后、从第三接ロ 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。
[0037]本实施例中，第一 MOS管Ql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。第一ニ极管Dl和第ニニ极管D2用于防止双向电子开关关闭吋，内部锂电池的能量通过支路缓慢泄放棹。第三MOS管Q3能防止内部锂电池倒灌至外部直流电源。
[0038]在具体实施吋，所述切换控制模块还包括保护ニ极管Da，其正极连接第二 MOS管Q2的栅极，其负极连接第二 MOS管Q2的源扱。所述保护ニ极管Da为18V稳压ニ极管，能将第一 MOS管Ql、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。
[0039]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。请ー并參阅图4，所述升压単元包括驱动电路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LI和第三ニ极管D3，所述升压芯片Ul的型号为LTC1871EMS ;所述驱动电路100的电源端I连接升压芯片Ul的VIN端、第一 MOS管Ql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Ul的RUN端；所述升压芯片Ul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Ul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的漏极连接第三ニ极管D3的正扱、还通过第一电感LI连接升压芯片Ul的VIN端，第三ニ极管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Ul的GND端均接地。
[0040]其中，升压芯片Ul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_c0n经过驱动电路100驱动升压后，输出升压芯片Ul能识别的高电平的使能信号EN，从而启动升压芯片Ul开启升压。升压芯片Ul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Ul通过接收的电压反馈信号Vl的強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。
[0041]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Ul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。
[0042]当市电交流电接入吋，UPS电源的切換装置无需切換、或者将已切換的状态还原为市电供电，此时无需启动升压芯片Ul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_c0n，驱动电路不工作，其输出低电平的使能信号EN使第一芯片Ul关闭，整个升压单元停止工作。
[0043]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Ul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。
[0044]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。
[0045]请一并参阅图5，所述掉电识别单元包括桥堆BD1、第一光耦01、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BDl的第I端连接市电的火线L，桥堆BDl的第2端连接市电的零线N，桥堆BDl的第3端依次通过第六电阻R6、第七电阻R7连接第一光率禹01的第I脚,桥堆BDl的第4端连接第一光稱01的第2脚,第一光稱01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01的第4脚连接第一电源端vccl，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。
[0046]市电的交流电信号通过桥堆BDl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01的第I脚(发射端)进行供电，第一光耦01的第3脚(接收端)接收到桥堆BDl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/Al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。
[0047]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MCU501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。
[0048]其中，去极值、移位平均算法的程序如下所示。
[0049]
【权利要求】
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: 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。
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。
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: 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。
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I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ロ ；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ロ的第I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电源的切換装置，其特征在于，所述升压単元包括驱动电路、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扱、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电源的切換装置，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I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I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电源的切換装置，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I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电源的切換装置，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电源的切換装置，其特征在于，所述峰值检测单元按.10:1比例縮小交流电信号后、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。
【文档编号】H02J9/06GK103607037SQ201310530327
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月1日 优先权日:2013年11月1日
【发明者】陈玉林 申请人:恒动能源（深圳）有限公司