山特UPS 1-3K架构说明正式版

1053NN架构说明

目 录

一、 产品规格 ··············· 二、 整机方框图 三、 整机架构说明 四、 线路说明

?DC→DC升压电路（DC→DC BOOST CIRCUIT） ?半桥逆变电路（HALF BRIDGE INVERTE CIRCUIT） ?充电器工作原理（CHARGER PRINCIPLE） ?充电板部分（CHARGER BOARD UNIT） ?信号侦测部分（SIGNAL SENSE UNIT） ?CPU控制功能(CPU CONTROL FUNCTION)

* 故障灯号及其意义

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一、 1053/1053S(Ⅲ) 产品规格

容量 最大负载容量 输入参数 市电模式开机范围 输入市电电压范围 输入市电频率范围 输出参数 输出电压 输出频率范围 220±2%Vac正弦波 1、与市电同步 （市电模式输入频率46Hz～54Hz） 2、50±0.2Hz （市电模式输入频率40Hz～46Hz或 54Hz～60Hz， 电池模式） -30% 140Vac～160Vac -50% 120Vac～140Vac 1、108%～150% 30秒后转旁路且过载Fault 2、>150% 200毫秒后转旁路且过载Fault >减载运行负载量后立即转电池模式 1、112%～150% 30秒后过载Fault 2、>150% 200毫秒过载Fault 3x 12V x 7.0AH (标机) >6分钟（标机、满载） <5小时（标机充至90%容量） 1.0A（标机）、 8.0A（长效机） 0mS < 4mS 122Vac～300Vac 118Vac～300Vac（随负载量变化） 40Hz～60Hz（可通过软件调节） 1000VA/700W 过载能力 市电模式减载运行 市电模式 （160Vac

Bypass旁 路I/P输入市电Input Filter输 入 滤 波O/P输出电压AC/DC Boost交 流 / 直 流 升压DC/AC InverterDC/AC 逆 变O/P Filter输 出 滤 波 器Charger充 电 器DC/DC Boost直 流 / 直 流Battery电 池

Fig.1整机方框图

三、 整机架构说明

Fig.2 整机架构图

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工作原理

1、 电池模式

1)、不开机。UPS不工作。

2)、开机。CPU拉低3525OFF信号，DC to DC斩波部分电路的控制芯

片3525开始工作，产生推挽式电路中开关管Q4、Q6和Q10、Q11的驱动信号。通过推挽式电路，把电池电压斩波成BUS电压。BUS电压的反馈信号送给CPU，再由CPU发出BUS电压调节信号来实现BUS电压的软启动。当BUS电压逐渐上升并稳定在385Vdc左右后，BUS电压软启动结束。接着开始逆变电压软启动，CPU发出PWM.SINE信号，经过控制板上的滤波电路形成正弦波，同时逆变电压的反馈和逆变电流反馈会进行补偿，得到标准正弦波。CPU还发出CLOCK信号，经积分电路后形成三角波，与标准正弦波进行脉宽调制，产生INV IGBT Q12、Q13的驱动信号。逆变电压逐渐上升到220Vac并稳定，逆变电压软启动结束。O/P RELAY跳到逆变端，UPS有输出。

2、 市电模式

1)、有正常市电输入后未开机。充电部分开始工作，并给工作电源部分

控制芯片UC3845（U601）提供电源。工作电源产生后，CPU根据对旁路的软件设置做如下操作：

A、 无旁路。CPU关掉AC to DC整流升压部分、DC to DC斩波部

分、DC to AC逆变部分，UPS无输出。

B、 有旁路。CPU拉低3525OFF信号，从而打开DC to DC斩波部

分电路，实现BUS电压的软启动。当BUS电压上升到约385Vdc时，关掉DC to DC斩波部分电路，且打开I/P RLY，但PFC IGBT处于关断状态，市电经半波整流后，通过L、C滤波形成?BUS电压。因L在低频下可看作短路，故若输入市电为220Vac，BUS电压会稳定在220??2 =311Vdc。虽然逆变部分仍未工作，但O/P RLY倒向旁路侧，UPS有输出。

2)、开机后，有无旁路的开机时序也不一样。

A、 无旁路。开机后CPU就打开旁路输出，其余开机时序与电池

模式相同。在开机过程完成后，打开I/P RELAY和AC to DC整流升压部分电路，并且关掉DC to DC斩波部分电路，UPS就工作在市电模式。 B、 有旁路。CPU也先拉低3525OFF信号来打开DC to DC斩波部

分电路，实现BUS电压的软启动。当BUS电压上升到约385Vdc时，打开I/P RELAY和AC to DC整流升压部分电路，再关掉DC to DC斩波部分电路，两部分电路会同时工作一小段时间。BUS电压软启动结束后开始逆变电压软启动。O/P RELAY由BYPASS跳至INV输出。

3、市电模式和电池模式的相互转换

1)、市电模式→电池模式。当市电中断或异常时，CPU关掉I/P RELAY

和AC to DC整流升压部分，同时打开3525控制的直流升压部分，UPS工作在电池模式。

2)、电池模式→市电模式。当市电恢复正常后，CPU先打开I/P RELAY

和AC to DC整流升压部分，过一段时间后关掉3525，UPS转到市电模式。

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四、 线路说明

1、 充电器工作原理

Fig.3 充电器原理图

注：1053（Ⅲ）的功率板上有一充电器，长效机另带一充电板，两者的工作原理一样，只是参数不同，故而可提供的充电电流也不同。在此以功率板上的充电器为例。

1)、工作原理

该电路为一典型的有多个输出端的隔离返驰式转换器。Fig3只给出主要回路及波形。

A、隔离返驰式转换器的基本电路模型：

Fig4 隔离返弛式转换器基本电路及波形

工作原理： 当Q1导通时，变压器的初级绕组渐渐会有电流流过，并将能量储存其中，

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由于变压器的初级和次级绕组极性相反，因此二极管反相偏压，没有能量转移到负载，当Q1关断后，二次绕组极性相反，二极管导通，输出电容被充电，负载有电流流通。

B、充电器工作原理：

有市电输入时，由D5～D8和C10构成的整流电路把交流输入变为直流，通过分压电路给UC3845提供电源，充电器开始工作后，隔离返弛式的一个输出端为UC3845提供稳定的电源。

充电器的工作是在UC3845的控制下完成的。通过分压电路取充电电压反馈信号，并与标准电压（2.5V）做比较，比较结果送给UC3845。由于充电器采用电流控制模式，故UC3845同时采样变压器初级的电流信号，充电器可做到限流，使得因电池弱而充电电压低时不至于充电电流过大损坏电池。 UC3845根据反馈信号输出一系列脉宽可调的方波来控制Q8的导通和关断。当Q8导通时，TX2初级绕组会有电流流过，能量储存其中，此时D4反相偏压，TX2次级无电流，负载由C501供电；当Q502关断时，TX2二次绕组电压极性翻转，二极管导通，并对C501充电。

2)、充电器的特点

A、可开关（ON/OFF）

当在市电（正常）状态时，CHGR ON ，充电器开始工作，对电池充

电；当在电池模式下，CHGR OFF ，充电器停止工作。

其控制方式如下：CHGOFF信号为高电平时，U504不导通，UC3845

的第4脚为R/C振荡，UC3845工作；电池模式时，CHGOFF信号为低电平，UC3845的第4脚电位被拉至低电位，UC3845因没有振荡而停止工作。

Fig5 充电器关断原理图

B、输出电压的自动调整

1053NN充电器充电电压可自动调整（41.1V），是调压原理是通过控

制IC （UC3845）PIN1的电位来实现的。

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Fig.6 TL431内部电路 Fig.7 自动调压原理图

充电电压简略计算公式：

VCHG=2.5V*（R514+R510）/R510

当输入电压升高或其负载减小，VCHG ，则VR ，UC3845 COMP

端电压 ，UC3845的PWM脉宽变窄，则VCHG

当输入电压下降或负载增加时自动稳压原理同上。

2、 工作电源部分

工作电源部分也是采用有多个输出端的隔离返弛式转换器，工作原理与充电器类似。其输入来自于电池，亦是充电器的输出。

1、DC开机。SW2通过分压电阻与电池相接，并送到控制板。当开机

键被按下，SW1与SW2接通，而SW1接于工作电源控制芯片UC3845的VCC端，这样UC3845有电源开始工作。返弛式转换器工作后就产生各种工作电源，其中+12V取代SW1，给UC3845提供稳定的电源。此时即使松开开机键，工作电源部分亦能继续工作。稳定的工作电源建立后，CPU开始工作，当检测到DC开机时，就会执行DC开机的一系列动作。

2、有市电正常输入时。由充电器原理可知，功率板上的充电器开始工

作。SW1通过分压电阻与充电电压输出相连接，这样UC3845也获得了电源。UC3845开始工作，其后工作电源部分的运行情况与DC开机类似。

3、 功率因数修正

1)、功率因数的定义

功率因数，即为有功功率与视在功率的比值。 PF=P/（VRMS*IRMS）

影响功率因数有两个主要方面：一是电压和电流之间的相位差，若电压

和电流是标准的正弦波，PF=COSθ，其中θ是电压和电流之间的相位差。若电压相位超前电流，θ>0，负载呈感性；反之负载呈容性。

二是电流波形中的谐波含量，谐波含量越大，功率因数越低。对于整流性负载（如许多无功率因数校正的开关电源），电压与电流之间的相位差并不大，而是电流谐波大。另外，电流谐波会对电网造成污染。

Vs

Is Id VO

Id VS Is PAGE 7 - -- 1053NN架构说明

Fig.8 整流性负载原理图 Fig.9 整流性负载电压电流波形 可以看出，市电经全波整流后，电压、电流波形如Fig.8所示。二极

管只有在输入电压高于输出电压时才会导通。在此导通时间内，输入电流必须供应半周所需的能量，因此其波形呈现高尖特性，这样的电流波形不仅含有大量的低次谐波，而且功率因数也只达0.5~0.7左右。

2)、功率因数修正

所谓功率因数校正，就是改善电流波形，使其形状尽量与电压波形一致，这样负载呈现出电阻性负载的特性，功率因数将接近于1。故在整流后加入一级DC/DC的功率因数校正器（PFC），借由主动开关的动作将输入电流修正为与电压波形相似的正弦波，以达到提高功率因数目的。对于改善功率因数，采用升压式电路有不少优势。下面先介绍其工作原理。

A、升压式电路的工作原理

Fig.10 升压式电路原理图

如Fig.10所示，当Q1导通时，二极管D1截止，电感L1处于充电状态，在输入电压Vin的作用下L1的电流线性上升，输入的电能转换成磁能储存在电感线圈中，负载靠滤波电容C1提供能量。

当Q1截止时，由于电感电流不能突变，因此L1产生极性为右正左负的感应电势，该感应电势试图阻止电感电流的衰减。此时D1导通，电感L1把上一时间段储存的磁能通过D1一方面传递到C1，给C1充电，另一方面提供给负载。

所以，只要通过调整开关S的导通与截止时间，就能控制负载两端的电压。并且由于电感电流不能突变，可以比较容易地控制电感电流（输入电流）的波形。

B、功率因数校正的实现

1053NN功率因数校正的实现是UC3843的控制下的升压式电路来完成的。功率因数校正专用芯片如UC3854，为使电流波形跟随电压波形，须采样BUS电压信号、输入电流标准波形信号、输入电压有效值和输入实际电流信号，然后做相应的运算，才能通过对其输出脉冲脉宽的调节来实现稳定BUS电压和改善电流波形的目的。

与UC3854不同，UC3843只须采样BUS电压信号和电流信号，在升压式电路功率不太大时，对功率因数的改善能取得良好的效果（1053NN在不带充电器时功率因数能达到97%以上）。

从Fig.11可以看出，UC3843有两个反馈环，一是电压反馈，信号送VF端和COMP端；二是电流反馈，采样的电流信号送IS端。另由于UC3843是

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峰值电流控制模式，故须斜率补偿（由Q401、D401、R403来实现），变为平均电流控制模式。（有关峰值电流控制模式和平均电流控制模式的区别，请参阅相关开关电源资料）

4、 直流斩波电路

1)、推挽式转换器工作原理

Fig.12 推挽式转换器工作原理

推挽式转换器在一个周期内Q1、Q2各导通一次，在每一个半周会将功

率传至负载。一个完整的周期如下：

1、Q1导通时，根据变压器TX的同名端，可知D1反偏而截止，D2正

偏而导通且向电容C1充电和给负载提供能量。

2、Q1、Q2同时截止时，D1、D2也截止，由电容C1向负载供电。 3、Q2导通时，D1导通且向C1充电和给负载提供能量，D2截止。 4、Q1、Q2同时截止。

2)、BUS电压软启动（BUS VOLTAGE SOFTSATRT）

直流斩波部分的控制芯片UC3525可在硬件上实现软启动，但软启动时

间若设置太长，则影响UPS从市电模式转为电池模式时BUS电压的稳定，故1053NN采用软件实现软启动。

BUS电压的反馈信号并不直接送给UC3525，而是CPU通过采样BUS反馈信号，在做相应的计算，输出BUS.VFB（CPU发出脉宽可调的脉冲，经滤波电路后得到BUS.VFB）信号给UC3525来调节BUS电压。这样UC3525得到的BUS电压反馈信号并不与实际的BUS电压值成比例。

当BUS电压软启动刚开始时，BUS电压很低甚至为零。但CPU提高

BUS.VFB信号的幅值，以免UC3525发出的PWM驱动信号太大而使电池电流过大损坏硬件。

此外，1053NN不能用输入的市电来实现BUS电压软启动。原因是输入

继电器的闭合与断开都需要毫秒级的时间，故不能向对SCR那样控制其开通的导通角，并在下半周关断达到BUS电压软启动。若不进行BUS电压软启动就打开输入继电器，整流升压部分的电感（L9）在低频下很快因饱和而呈短路

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状态，这时输入市电经整流桥后直接向BUS电容充电。由电路理论可知，电容在刚开始充电时电阻很小，使得市电电流达100多安，会烧掉市电保险等元件。所以，当由正常的市电输入且须升BUS电压时，先让直流斩波部分实现BUS电压软启动。

5、 逆变器及驱动电路

Fig.13 逆变部分原理图

1053NN的逆变部分采用半桥式结构来实现，工作于连续电流模式。其

驱动信号是软硬件结合产生的，输入是±BUS电压（空载时约385V），输出是220Vac。

一个周期的工作如下（假设处于逆变输出正半周）：

a、 Q13导通，Q12关断，L1左端电压接近+BUS电压，IL1上升，电感在充电。 b、 Q13、Q12同时关断，由于电感电流不能突变，Q12的续流管导通，L1左端电压接近-BUS电压，IL1下降，电感放电。

c、 Q13关断，Q12导通，因为处于逆变周期正半周，IL1>0, Q12的续流管继续导通，L1左端电压接近-BUS电压，IL1下降，电感放电。 d、 与第b步相同。

值得一提的是，虽然在一个周期内Q12、Q13可能会交替导通（也可以

只有其中一个导通），但其脉宽不一样。当逆变处于正半周时，Q13导通时间比Q12长。经L、C滤波后，可得逆变正弦波的上半周。单逆变处于负半周时与正半周类似。

由于Q12、Q13同时导通时会将±BUS电压短路，故在两者交替导通时

须有一定的死区时间（即都不导通）。

6、 控制板线路说明

1)、过零侦测电路

市电与逆变采用相同过零侦测电路，在此以市电过零侦测电路为例。 Fig.14 是一典型的施密特过零比较器，Vin是市电电压经一比例放大器

衰减后的正弦信号，R147和R148的组成施密特环节，可以防止市电波形较差时在正弦波过零有振荡（如接发电机）而产生的误动作。加入D27的目的是防止送给CPU的信号变负电压。

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2)、幅值侦测电路

市电与逆变也采用相同的幅值侦测电路，在此以市电幅值侦测电路为

例。

Fig.14 市电过零侦测电路

Fig.15 市电幅值侦测电路

从Fig.15可以看出，市电幅值侦测采用由运算放大器构成的全波整流电

路。

Vin是市电电压经一比例放大器衰减后的正弦信号，当Vin为正时，图

中U22的8脚输出为负值，D25截止，运算放大器不起作用。由于CPU A/D转换输入口的输入阻抗极大，故相当于把Vin的正半周直接送给CPU；当Vin为负时，U22的8脚输出为正值，D25导通，由于R210=R145，故把Vin的负半周反向后送给CPU，从而达到全波整流之目的。

3)、INVERTER 参考波产生电路

CPU侦测逆变电压的零点、频率和幅值，且若需要对市电进行锁相，还

侦测市电电压的零点、频率，然后CPU根据侦测到的信号输出频率和脉宽可变的6.4MHz的SINE.PWM信号。逆变参考正弦波产生电路是一3阶带通滤波器，其输出参考正弦波是频率和幅值可调的正弦波（频率在50Hz附近变动）。SINE.PWM信号的频率决定参考正弦波的频率，SINE.PWM信号的脉宽决定其幅值。故CPU可通过对SINE.PWM的调整来达到控制逆变输出的目的。

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Fig.16 逆变参考正弦波产生电路

4)、INV反馈与参考正弦波的误差产生电路

Fig.17 INV反馈与参考正弦波的误差产生电路

图中INV是逆变电压，L.C+是逆变电流经CT的反馈信号，Vref是参考

正弦波，Vbal是逆变电压自动调平衡输入。

参考正弦波与INV经R22～24与R314的分压信号、逆变电流反馈信号

相减，同时根据Vbal对其平衡电压进行调整，从而得到标准正弦波输出，送给后级比较器与三角波进行比较以产生PWM信号。

故可得出以下结论：逆变电压得调整由两个反馈环构成，一是CPU根

据其采样得信号，产生SINE.PWM信号，经滤波后得参考正弦波，但CPU得速度有限，对SINE.PWM信号得调整需一定的时间；二是硬件补偿电路，反馈逆变电压和逆变电流信号对参考正弦波进行补偿，以达到对逆变电压实时进行调整之目的。

5)、三角波产生电路

Fig.18中C29是滤波电容，C40和R2决定充放电的时间常数，R2、R58

决定放大倍数。在参数的选择上，积分时间常数远大于CLOCK信号的高电平时间，放大倍数较大（接近10倍）。由运放特性可知，U8的13脚是“虚地”。故当CLOCK信号为高电平时，对C40进行充电，当CLOCK为低电平时，C40

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通过R2放电。

Fig.18 三角波产生电路

所以，当CPU发出19.2KHz的 CLOCK信号占空比为50%时，三角波

产生电路输出良好的三角波。

6)、PWM产生电路

Fig.19 PWM波产生电路

此PWM产生器是采用三角波调制法来实现的。 将三角波送入比较器U10的4脚（同相端），将标准正弦波送到比较器

的5脚（反相端），当三角波电压大于正弦波时，U10的2脚输出一个宽度等于三角波大于正弦波部分所对应时间间隔的正脉冲，反之三角波电压小于正弦波时，U10的2脚输出低电平。此脉冲分两路传送：

一是经R18到U11（1、2、3脚）缓冲整形，R84，C39，D14使PWM

信号上升沿产生死区时间且下降沿陡直。再接于U11的8脚，这样可同其9脚的限流、PWMOFF信号相与，以便逆变电流过流时能关断PWM来保护和CPU在必要时关断PWM。为增加驱动能力，在4081后接2003（1、16脚）作为PWM-的输出极。

二是U10的2脚输出经U10（1、6、7脚）反向，后级与PWM-信号一

样产生PWM+信号。

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五、灯号及其意义

1、面板指示灯

LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 LED6 Line BAT Bypass

INV

2、 灯号及其意义

BUZZER OVERLOAD FAULT Led5, Led6 on Keep on buzzing OVER CHARGE FAULT Led4, Led6 on Keep on buzzing BUS OVER FAULT Led3, Led6 on Keep on buzzing INV. FAULT Led2, Led6 on Keep on buzzing OVER TEMPERATURE FAULT Led1, Led6 on Keep on buzzing 110% OVERLOAD Led1～Led6 on Beeping per 0.5sec BAT LOW Led5 on; Led1,2,3,4,6 Beeping per 1sec off TEST TO BATTERY FAIL BAT led flash per Beeping 6 times 0.5sec TEST PROCESSING Line 、bypass 、inv. 、Silence Bat led on in turns L、N REVERSE Led1 flash per 0.5sec Silence UPS STATE LED PAGE 14 - -- 1053NN架构说明

六、 维修注意事项

1、 限流开机

机器维修或更换新板后，则须进行限流开机，切不可冒然开机，以防止

故障扩大。

限流开机的目的：

1)、可以判断UPS是否正常，且防止故障扩大。

2)、限流开机时，工作电流较小，即使出现元件短路现象，亦不易造成功率管损坏。

3)、为暴露故障现象而获得信息，必须进行限流开机。

限流开机的方法：（以DC POWER SUPPLY OR CHARGER）

1)、拔掉电池线，采用直流源（限流点调为3A左右）或1053NN的充电板模拟电池输入。

2)、开机，注意观察现象并量测信号是否正常，如工作电源、正负BUS电压（±385VDC）、输出电压等。此时不能带载。 3)、若开机正常，可送入市电并做相应的测量。

4)、一切正常后，去掉直流源或充电板接线，并接上电池。

2、测试注意事项

1)、量测讯号时，请注意极性（电池、DC POWER SUPPLY）。 2)、带静电手环以防止击坏IC。

3)、每次测试后，请确认DC BUS电压是否放电，然后再进行下一步测试。

4)、静态量测各功率元件中若有异常，请先检查零件是否已损坏，切不可冒然开机，一定要确认正确后才进行限流开机。

5)、常坏元件有：PFC-IGBT及其驱动电路、INV-IGBT及其驱动电路、BOOST-DIODE、DC/DC MOSFET及其驱动电路、CHARGER部分、FUSE等。

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