1 引言
隨著電子技術的發展和社會的進步，電子設備與人們的工作、生活關系越來越密切。這些電子設備，例如PC機以及各種嵌入式系統等，對供電質量要求也越來越高。工作中突然停電或電源的不穩定將帶來數據的丟失、設備的損壞、機器的誤動作和整個系統的癱瘓等十分重大的危害。因此安全可靠的供電電源是我們不得不認真面對的重要問題。解決穩定電源問題的方法有濾波、線性穩壓、UPS等多種，UPS是唯一可完全解決穩定電源問題的設備。
UPS(UninterruptiblePowerSupply)是一種向負載提供不間斷、優質、高效和可靠的穩定電壓的電源。UPS，按其輸出電壓的不同可以分為交流UPS和直流UPS。交流UPS的工作原理是當市電電源正常時，一路市電通過整流器給蓄電池供電，直到蓄電池為浮充狀態為止，另一路通過穩壓器穩壓再經轉換開關直接向負載供電。當市電中斷時，轉換開關斷開交流電的輸入，AC／DC充電停止工作，蓄電池通過逆變器向負載供電。直流UPS的工作原理是當市電電源正常時，轉換開關接直流穩壓電源" title="直流穩壓電源">直流穩壓電源的輸出，負載由直流穩壓電源直接供電，同時用直流穩壓電源給蓄電池充電，直到充滿為止；當市電中斷時，直流穩壓電源輸出中斷，轉換開關斷開與直流穩壓源的連接，由蓄電池經過DC／DC向負載供電。
對于PC機和嵌入式系統等直流用電設備來說，采用直流UPS比交流UPS具有更突出的優點，諸如電路簡單，所用元器件少、成本低廉、功耗小、體積重量小、可靠性高、制造容易、維護方便等。
本文設計的直流UPS是基于MAXIM公司的MAXIM668控制芯片的Boost電路。該方案電路結構簡單，獨立切換，具有較高的輸出精度。最后通過實驗驗證了理論分析的正確性和這種方案的可行性。
2 UPS系統工作原理
圖1所示是本文中UPS系統框圖。UPS系統由市電檢測單元、UPS及切換單元組成。工作原理是，檢測單元實時檢測市電是否中斷。當市電正常時，封鎖Boost電路的驅動信號，UPS不工作，切換單元切換到開關電源" title="開關電源">開關電源，PC機由開關電源直接供電，同時由開關電源輸出給蓄電池充電至浮充狀態；當市電中斷時，開啟Boost電路的驅動信號，由切換單元切換到UPS，PC機由UPS供電。這樣就能保證在電壓正常或中斷時均提供穩定直流電壓給PC機。
UPS系統檢測單元如圖2所示。檢測單元由整流橋、RC電路以及光耦隔離電路組成，其輸出out根據所檢測的市電是否發生中斷而產生邏輯電平。當市電正常時，市電通過整流橋整流，經RC作整流輸出濾波得到直流電，經過R2使得光耦導通，使得檢測單元輸出out為低電平，從而封鎖UPS控制信號" title="控制信號">控制信號，UPS不工作；當市電中斷時，光耦不導通，檢測單元輸出out高電平，打開UPS控制信號，啟動UPS。值得注意的是，這里C1取值較小，以保證市電檢測的實時性。
圖1虛線框中為系統設計的UPS，由控制驅動電路、Boost電路、和蓄電池組成。圖3所示為其電路圖。其中控制驅動電路采用MAXIM公司的MAXIM668芯片。這里用蓄電池給芯片供電。MAXIM668是一種固定頻率的工作于電流模式的PWM控制器。正常工作時，通過電壓閉環反饋調節和電流峰值調節來控制其輸出的PWM信號，以達到穩壓輸出的目的。SYNC／SHDN為片選信號，高電平有效，由檢測單元的輸出out控制。REF端內部產生1.25V參考電壓。FREQ端接電阻Rosc來控制芯片的工作頻率。FB端為反饋端，通過反饋電阻R2、R3分壓的結果與芯片REF端的1.25V電壓進行比較來控制MAXIM668的工作，構成電壓閉環反饋調節。CS+端外接檢流電阻，通過比較檢流電阻上的電流值與芯片內部由電壓調節器決定的電流峰值，來控制芯片EXT輸出端的PWM信號的脈寬，構成電流峰值調節。UPS的主電路為一個Boost電路。通過控制EXT輸出端的PWM信號的脈寬，保證Vout為穩定的5V。蓄電池在此不僅給Boost電路供電同時要給控制芯片MAXIM668供電。
切換單元原理如圖4虛線框中所示。其基本原理為當市電處于正常或中斷狀態時分別使開關電源或UPS向負載供電。從而保證負載供電穩定。圖中的繼電器都為常開狀態。
中用檢測單元輸出out和UPS輸出Vout共同作用來控制切換單元是否動作。控制邏輯中先將Vout做兩級施密特反相器，使其不工作時輸出0，正常工作時輸出1。再將變換后的Vout和out做與邏輯。使得當out和Vout輸出同時變為高電平時繼電器M1關斷，繼電器M2閉合；當out和Vout輸出任一個變為低電平時，M1閉合，M2關斷。
由于繼電器的機械特性會帶來切換開關" title="切換開關">切換開關動作時關斷比閉合快的問題，導致在切換開關對開關電源和UPS進行相互切換時，會有一段負載供電的缺口。文中設計了一個控制延時關斷、立即閉合的環節解決這個問題。
當市電由中斷到正常時，控制邏輯輸出為0。此時對M1而言，控制信號為1，因此為立即閉合狀態；對M2而言，控制信號為0，因此為延時關斷。反之亦然。
3 關鍵參數計算
3.1 MAXIM668芯片頻率計算
MAXIM668允許的頻率范圍是100KHz-500KHz，其芯片的頻率設定公式如式(1)所示。由式(1)可知，選定不同的芯片的工作頻率fosc即可求得Rosc。本文取fosc為100KHz，可求得Rosc
3.2 MAXIM668反饋電阻計算
UPS系統指標要求是輸出5V電壓，根據MAXIM668芯片的反饋電阻設定的公式
在此，Vout=5V，VREF=1.25V。選擇R3=10KΩ，則R2=30KΩ。
3.3 Boost電路中電感值計算
本文中的蓄電池采用三節1.2V串聯給Boost電路供電為3.6V。為了滿足PC機的可靠供電，設定電感L上的電流紋波必須為PC機允許范圍內，這里取紋波為50mA，則I(peak-peak)=100mA。由f=100KHz，則T=10μs，由升壓斬波電路輸出輸入電壓與開關管通斷時間的關系如式(3)。
3.4 供電時間計算
對于UPS系統，在切換至UPS后能讓負載維持正常供電的時間也是我們所關心的。在蓄電池選定后其安時數一定，因此供電時間由負載所需電流決定。針對本系統給定負載所需電流Iload為3A，蓄電池的安時數為150mAh，則供電時間為3分鐘。也就是說在斷電3分鐘時間之內，PC機可以對數據進行保存處理，保證了市電正常后可以正常運行。
4 實驗結果分析
4.1 UPS主電路實驗結果
圖5為UPS工作時的實驗波形。在其中1為Boost電路中MOSFET的驅動信號波形(每格5V)，2是Boost電路中MOSFET的漏極波形(每格2V)，3是Boost電路的輸入電壓(以及蓄電池電壓)波形(每格2V)，4號是Boost電路的輸出即UPS最終輸出的電壓波形(每格5V)。可以從圖中看出UPS系統在切換后仍然可以提供穩定的5V電壓給負載。
圖6所示為切換單元在進行切換時的波形。圖中0～42ms為切換開關接到開關電源端的波形，42ms后為切換開關接到UPS端的情況。其中1是MAXIM668的片選信號即檢測單元的輸出out的波形，2是MAXIM668輸出給開關管柵極的控制信號波形，3號是UPS系統最終輸出電壓Vout波形。
從圖中可以看出，市電在42ms時刻之前中斷，系統可以迅速檢測到中斷信號使MAXIM668工作產生驅動信號，并且UPS系統立即啟動，反應速度快，輸出的直流電壓為穩定5V。
5 結論
本文設計了一種基于MAIXM668升壓斬波電路的微型UPS系統。控制電路采用MAXIM公司的MXAIM668芯片。整個系統電路簡單，響應速度快。實驗驗證了該方案的有效性。