ups电源控制板
曹振华
摘 要： UPS是电子产品中最常用的电源设备之一，为电子设备提供不间断的电源供给，降低了因断电引起的系统瘫痪风险[1]。由于市面上的UPS体积庞大，不适合在灵活空间里放置，因而限制了它的应用领域。文章通过对UPS系统电源切换电路的改造，设计了一款基于HY8204的低成本不间断电源控制系统（LCUPCS）。该系统体积小，成本低，在昆山信德佳电气科技有限公司的智能工器具管理系統中取得了良好的使用效果。
关键词： 不间断电源； LCUPCS； MOS； HY8204
中图分类号：TP399 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2017）12-39-03
Design of the LCUPCS based on HY8204
Cao Zhenhua
（Suzhou Institute of Trade & Commerce， Suzhou， Jiangsu 215009， China）
Abstract： UPS is one of the most commonly used power supplies in electronic products. It provides uninterrupted power supply for electronic equipment， to reduce the system paralysis risk caused by power failure. Because of the huge volume of UPS in the market， it is not suitable to be placed in flexible space， which limits its application field. In this paper， by reconstructing the power supply switching circuit of UPS system， a low cost uninterruptible power supply control system （LCUPCS） based on HY8204 is designed. This system is small volume and low cost， a good effect is obtained in the intelligent equipment management system of Kunshan Thinggood Electrical Technology Co. Ltd.
Key words： UPS； LCUPCS； MOS； HY8204
0 引言
一方面，目前市面上的UPS体积庞大，不适合在灵活空间里放置，这限制了它的应用领域；另一方面，市面上锂电池体积小，使用灵活，但是没法直接挂到电源系统里使用，如果直接挂载，就会很快坏掉，本文设计一款体积小、成本低的不间断电源控制系统（以下简称LCUPCS），配合市面上流行的12V锂电池组，可以实现通用UPS系统的功能，并有效保护锂电池。
1 LCUPCS工作原理
LCUPCS系统包括锂电池充电保护电路、锂电池放电保护电路及切换电路等，其原理如图1所示。图1中，正常情况下，系统由主供电电源为用电器供电，并由主供电电源为锂电池组充电，系统具备自动检测电池电量的功能，亏电时自动充电，充满时自动终止充电，并且在主供电电源有电时，电池组不为用电器供电，这样可以有效保护锂电池，延长电池工作寿命；当主供电电源断电时，电源切换电路会检测到系统断电，此时电源切换电路瞬间将供电电源切换到锂电池组，由于切换时间极短，用电器感觉不到断电，此时电池组的电能不会反馈到主供电电源电路中。
锂电池在充电过程中会发热，如果不加保护而直接充电，电池寿命会快速缩短，而且有起火爆炸的风险[2]。因此LCUPCS在设计中考虑到了这些问题，采用恒源电子公司设计的开关型锂/铅酸电池充电管理芯片HY8204作为充电保护芯片[3]，该芯片集高精度电压和电流调节器、预 充、充电状态指示和充电截止等功能于一体，价格便宜，性能稳定。
LCUPCS中，采用了大功率MOS管AO4459替代传统UPS使用的继电器，避免了触点故障，提高了系统可靠性和反应速度。
2 LCUPCS优势
LCUPCS价格便宜，总体成本可以控制在5元左右，符合低成本的要求。
LCUPCS性能稳定，通过将充电过程分为涓流预充（Pre-charge）、恒流（CC/Constant Current）充电、恒压 （CV/Constant Voltage）充电等过程，可以有效保护锂电池组，延长锂电池的寿命和质量；通过充放电功能集成，降低了接线难度；通过放电时机限制，避免了锂电池频繁充放电，提高了电池寿命。
系统在昆山信德佳电气科技有限公司的智能工器具管理系统、智能钥匙管理系统及密集架系统中运行正常，系统性能到了有效验证。
3 LCUPCS设计实现
本文恒源电子公司设计的开关型锂/铅酸电池充电管理芯片HY8204作为充电保护芯片，采用大功率MOS管AO4459替代传统UPS使用的继电器[4]。
3.1 HY8204性能
HY8204采用SOP10封装设计，引脚功能如图2所示。
VCC、GND：输入电源，由于HY8204为降压型充电管理芯片，因此VCC的电压一定要大于锂电池组的供电电压，一般会选择14-15V电压。
GATE：输出开关驱动引脚，一般接MOS管，用来打开或关断后级电源供给，这也是开关型充电管理芯片得名的原因所在。
STAT1、STAT2为状态指示灯，一般STAT1接绿灯，亮起表示充电完毕；STAT2接红灯，亮起表示充电中，红绿灯一般不会同时亮起，如果同时亮起则说明故障发生，比如灭0.5Hz脉冲说明故障状态为超时或者过压，灭2Hz脉冲说明故障状态为充电暂停，有可能是电池没有连接等原因。
NTC：电池温度检测输入端，外接热敏电阻到地，或取消直接接地。
BAT：電池检测输入端及电流检测输入负端，该引脚接到充电电池的正极，作为电流检测端，与SNS（电流检测输入正端）引脚之间用一个0.05欧姆的电阻连接，可以获得2A的充电电流输出。
ISET：外接电阻设置恒流充电和截止充电电流。
VTRIM：外接电阻，与地或者与BAT脚之间，微调恒压充电时的恒压电压值。
3.2 LCUPCS充电原理
充电电路主要由HY8204外围电路、输入电源滤波电路和输出滤波电路等部分构成，实现了一款可以提供2A充电电流的充电电路，电路具体设计如图3所示。
电池恒流充电电流：ICHARGE=（KISET*VISET）/（RSNS*RISET）[3]，其中，VISET是ISET脚的输出电压，在恒流充电阶段为1V，在预充电阶段为0.2V。RSNS 为外部电流检测电阻，KISET为增益系数。在恒流充电电流确定之后，对于锂电池，预充电电流为40%*ICHARGE，而充电截止电流为10%*ICHARGE。
充电截止电流：在恒压阶段，充电电流在RSNS电阻两端的压降减少到VITERM，HY8204内部产生EOC信号，充电截止。同时，当充电电流在RSNS电阻两端的压降为VITERM的两倍时，芯片内部会产生一个TAPE信号，如果在半个小时后充电电流仍然没有下降到VITERM，充电截至。
充电电压设定：电池电压检测BAT和GND脚之间的压差。当锂电池组电压低于9V时进入预充电模式；当电池组充电至12.6V时，充电截止；充电完成后，当电池组由于电流泄露下降到4.1V以下时，进入再充电周期。
输出过电压保护：HY8204 内置过电压保护功能，当电池电压过高时，比如电池突然移除时产生的过电压，该功能可以保护器件本身和其他元器件。当检测到过电压时，该功能立即关闭PWM，并指示错误。当电池电压低于再充电阈值电压时，该错误解除。
为了简化电路功能，NTC引脚没有接热敏电阻，而是直接通过电阻接地。
3.3 LCUPCS充放一体切换原理
3.2节中设计的原理图为充电电路，如果将电池的正极与用电器直接相连，虽然可以实现充放同时进行，但是由于用电器用电情况随着内部设备的启动而频繁变化，导致电池频繁充放电，从而导致电池寿命迅速下降，为了保护电池，设计了如图4充放电一体切换电路。
图4中，采用了可控MOS管AO4459作为切换器件，代替传统UPS中的继电器，缩短了切换时间，并提出了触点提高了系统稳定性。当DC_IN有电时，G1为高电平，使MOS管关断，此时用电器用DC_IN供电；当DC_IN断电时，G1为低电平，使MOS管关导通，此时用电器用电池组供电，由于D1二极管具有单向导通的功能，因此电池组的电能不会反馈到DC_IN电路中[5]。
3.4 LCUPCS PCB设计
根据3.1～3.3节所设计的电路原理图，设计完成的PCB图纸如图5所示，其中接线柱分别是输入电源接线柱、电池接线柱及负载接线柱。
4 系统调试与小结
本文设计的LCUPCS系统，首先在昆山信德佳电气科技有限公司的智能钥匙管理系统中进行了测试，第一版PCB发现不太稳定，系统偶尔会出现充电不满后者充电中与充电满相互交替的情况，经过对电路原理的分析发现，原因不在原理图的设计上，而是在PCB中元器件的布局中，因此在第二版PCB元器件布局时作了如下调整。
⑴ 检测电流的电阻RSNS（即原理图中的R15）要靠近HY8204的第7脚和第8脚，并在第7脚和第8脚分别接了一个0.1uf的瓷片电容到地。
⑵ 由于该电路为快速通断型电路，而且电路中引入了电感，电路的电磁辐射较大，因此，充电电流经过的电路要尽量缩短，并且在电流输入和输出端，增加电解电容和瓷片电容并联，输入与输出电容的GND端靠越近越好。
调整后的LCUPCS系统，电路板较小，在测试中运行正常，该系统配合绿能里电池组，又在智能工器具管理系统、库房管理系统及密集架系统等产品中发挥了重要的作用。
参考文献（References）：
[1] 幸坤涛，刘晓文.简易UPS不间断电源设计制作[J].科技创业
月刊，2012.12：189-190
[2] 黄逸飞.浅析机房UPS不间断的电源设计[J].工业C，
2016.9：00318-00319
[3] 恒源电子.开关型锂/铅酸电池充电管理芯片HY8204.PDF[M].
2015.
[4] 卢曙光.浅谈UPS不间断电源[J].涟钢科技与管理，2015.5：
39-44
[5] Alpha & Omega Semiconductor， Ltd.. P-Channel En-
hancement Mode Field Effect Transistor AO4459.PDF[M].2007.
