引言

隨著計算機應用的日益普及和信息網(wǎng)絡化的發(fā)展，對高質量供電設備的需求越來越大，不間斷電源(UPS)正是為了滿足這種情況而發(fā)展起來的電力電子設備。UPS在保證不問斷供電的同時，還能提供穩(wěn)壓、穩(wěn)頻和波形失真度小的高質量正弦波電源，目前在計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)、郵電通信、銀行證券、電力系統(tǒng)、工業(yè)控制、醫(yī)療等領域得到了廣泛的應用。微機控制的不間斷電源具有兩大優(yōu)點：簡化硬件電路，降低成本；軟件設計靈活，功能容易擴展，可方便的對軟件進行修改完成不同的控制思想。

微機控制技術應用于不間斷電源，主要體現(xiàn)在單片機系統(tǒng)上，單片機產(chǎn)生PWM脈沖信號放大后驅動逆變器的開關。而單片機抗干擾的能力不夠強，如果抗干擾的措施不當，不但無法體現(xiàn)上述優(yōu)點，還有可能降低系統(tǒng)的可靠性，甚至無法工作。

本文結合UPS的工作原理，從干擾的類型及采取相應的措施來說明抗干擾技術在UPS中的應用。

1 結構框圖及工作原理

1．1 結構框圖

根據(jù)工作方式，UPS分為后備式和在線式兩大類。

UPS的基本結構圖見圖l、圖2所示，它由充電電路、蓄電池、升壓電路、逆變電路，切換開關、自動電壓調(diào)節(jié)等部分組成。

1．2 基本工作原理

后備式UPS：當市電在規(guī)定電壓范圍內(nèi)正常供電時，輸入電壓經(jīng)自動電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)稍許濾波，排除一些干擾后，直接輸出供給負載。而當市電異常，超出規(guī)定范圍時，UPS啟動逆變器，將后備的電池電壓變換成等價于正常市電時的電壓值再輸出給負載，其基本拓撲結構如圖1所示。此種UPS的優(yōu)點是可靠性較高，結構相對較簡單，效率較高，價格也便宜。但由于經(jīng)逆變后大都是方波或類方波波形，故供電質量稍差，加之市電異常時需啟動逆變器由電池供電，有一定的切換時間。

在線式UPS：又稱為雙變換式UPS，即從市電輸入到UPS輸出經(jīng)過了AC／DC和DC／AC兩次變換，其基本拓撲結構如圖2所示。在市電正常情況下，UPS輸入電壓經(jīng)整流、濾波等電路變成直流電壓，然后經(jīng)逆變器將直流電壓變成負載需要的交流電壓。當市電異常時，輸入自動切換到蓄電池上，由蓄電池供電，經(jīng)逆變器后輸出交流電壓給負載。此種UPS顯然在電路上比后備式UPS要復雜得多，由于采用二次變換，大大改善了負載的供電質量。但其逆變器一直處于工作狀態(tài)，對逆變器的可靠性和使用壽命提出了較高的要求，由此而產(chǎn)生在線式UPS比后備式UPS價格高很多。

2 干擾的類型與來源

單片機控制的UPS系統(tǒng)中的干擾，一般指各種外部和內(nèi)部的干擾源產(chǎn)生的各種瞬變電信號，通過一定的途徑傳入到系統(tǒng)中，或者內(nèi)部的互相干擾，對系統(tǒng)的正常運行造成一定程度的影響。它的干擾主要有以下幾個方面：

2．1 來自電網(wǎng)的干擾

UPS作為一種經(jīng)過凈化處理，向負載提供高質量的電源系統(tǒng)，它的輸入是諧波復雜的工頻電源。電網(wǎng)中存在大量的諧波源如各種整流設備，電子電壓調(diào)整設備，非線性負載及照明負載。

2．2 交變磁場的干擾

在大功率變壓器及大電流通過的電線的周圍都有較強的交變磁場。

在UPS內(nèi)部，交變磁場主要有：

(1)逆變器產(chǎn)生的電磁干擾

工作時，逆變器的功率管始終處于開關狀態(tài)，為了降低其上的功率損耗，開關過渡時間不能太長，即di／dt不能太小，否則開關過熱容易燒毀。但過大容易引起電路產(chǎn)生寄生振蕩，產(chǎn)生的噪音干擾比如諧波電流、高頻毛刺對設備不利。

(2)高頻變壓器產(chǎn)生的干擾

高頻變壓器存在漏感，在開關管由導通剛剛變?yōu)榻刂習r，變壓器原邊漏感和引線電感上貯存的能量無處釋放，將會給開關管等效的輸出電容充電，由于這個等效電容很小，所以會沖得比較高的電壓尖峰。

此類干擾對控制系統(tǒng)的破壞性。

2．3 不等電位干擾

在工業(yè)生產(chǎn)中的用電設備，如果絕緣性能不良，會對地產(chǎn)生不穩(wěn)定的漏電流；利用大地作為輸電線的電氣接地線，也會產(chǎn)生較大的地電流。如果在控制系統(tǒng)設備接地安裝中，地點選擇不當，漏電流或地電流會使系統(tǒng)中的各點存在電位差，使系統(tǒng)常常產(chǎn)生不確定的故障。

2．4 自然干擾

自然干擾是指大氣層發(fā)生的自然現(xiàn)象所引起的干擾，以及來自宇宙的電磁波輻射干擾，如雷電、大氣低層電場的變化、電離層變化及太陽黑子的電磁波輻射等，其中雷電干擾嚴重。雷電不僅會造成回路的強干擾，還會燒毀輸入模塊。

2．5 溫度、濕度及腐蝕性介質對可靠性的影響

不同檔次的元器件都有其特定的工作溫度范圍，使用時應以各廠家的資料為準，根據(jù)情況選用高一檔次的產(chǎn)品。

環(huán)境潮濕或含有腐蝕性氣體，會對元器件及線路板造成較大影響。如果系統(tǒng)長期工作在這種環(huán)境中，會使印制電路板腐蝕，造成斷路，使接插件和IC插座氧化、銹蝕，造成接觸不良，影響系統(tǒng)的可靠性；因此，應盡量保持環(huán)境干燥，并盡量少用接插件及IC插座，采用直接焊接的方法互連；各種連接器應采用鍍金或其他防腐處理的接插件。

3 系統(tǒng)的抗干擾措施

為了提高UPS的抗干擾能力，主要從兩個方面入手，即從硬件和軟件分別考慮：既要去除或者降低干擾源的干擾能力，又要提高系統(tǒng)本身的抗干擾能力。

3．1 硬件抗干擾

(1)交流進線濾波器

為了滿足有關的電磁干擾(EMI)標準，防止UPS產(chǎn)生的噪音進入電網(wǎng)，或者防止電網(wǎng)的噪聲進入UPS電源內(nèi)部，干擾系統(tǒng)的正常工作，必須在不間斷電源的輸入端施加EMI濾波器。該濾波器能同時抑制共模和差模干擾信號。

(2)啟動浪涌電流抑制電路

開啟電源時，由于UPS的整流電路會給濾波電容充電，會產(chǎn)生很大的浪涌電流，其大小取決于啟動時的交流電壓的相位和輸入濾波器的阻抗。抑制啟動浪涌電流的的方法是在整流橋的直流側和濾波電容之間串聯(lián)具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻。啟動時電阻處于冷態(tài)，呈現(xiàn)較大的的電阻，從而抑制啟動電流。啟動后，電阻溫度升高，阻值降低，以保證電源有較高的效率。對于大功率的電路，將上述熱敏電阻換成普通電阻，同時在電阻兩端并聯(lián)晶閘管開關，電源啟動時晶閘管開關關斷，由電阻限制啟動浪涌電流，當濾波電容的充電完成后，觸發(fā)晶閘管，使之導通，達到短路限流電阻的目的。

(3)有源功率因數(shù)校正技術

抑制諧波的傳統(tǒng)方法是采用無源校正技術，但無源校正目前一般用于抑制高次諧波，如需進一步抑制裝置的低次諧波，提高裝置的功率因數(shù)，目前大多采用有源功率因數(shù)校正技術。有源功率因數(shù)校正技術就是在傳統(tǒng)的整流電路中加入有源開關，通過控制有源開關的通斷來強迫輸入電流跟隨輸入電壓的變化，從而獲得接近正弦波的輸入電流和接近1的功率因數(shù)。

(4)采用軟開關技術

電力電子開關在其端電壓不為零時開通和在其電流不為零時關斷統(tǒng)稱為硬開關。硬開關時，開關器件會承受大功率，發(fā)熱嚴重，降低器件壽命，并且產(chǎn)生嚴重的電磁干擾。如果采取一些措施，改變電路結構和控制策略，使開關零電壓開通和零電流關斷，即采用軟開關技術可以大幅度提高UPS性能。

(5)正確、良好的接地

電源線及接地線的粗細對系統(tǒng)的可靠性有很大的影響。如果地線太細，將不能為系統(tǒng)提供足夠的電流，電源線、地線的電阻也會增大，電流流過電源線，在電源線上形成較大的壓降，影響正常工作。

電源線、地線應盡可能短。如果線過長，電流流過時產(chǎn)生壓降，外部的干擾信號可能耦合到電源線上，避免與大電流的控制信號近距離、平行的走線，以免產(chǎn)生很大的干擾。

(6)模塊化設計

模塊化設計的好處在于：

減少各部分之間的相互關聯(lián)與耦合，避免或減輕彼此間的相互干擾；

便于故障定位，便于快速修復，提高系統(tǒng)的可靠性。

(7)隔離與緩沖

輸入輸出通道是外部干擾信號傳入系統(tǒng)的一種途徑。對交流信號可采取變壓器隔離；對直流信號采用光電耦合器件進行隔離。使外部的輸入輸出通道與控制部件在電氣連接上相互隔離，阻斷外部干擾信號進入控制系統(tǒng)。

(8)器件的優(yōu)化

由于UPS一般為連續(xù)工作狀態(tài)，因此要反復篩選對比，杜絕因為器件本身導致系統(tǒng)失敗。

(9)印制電路板的抗干擾

印制板應遵循大面積接地、分級屏蔽、大信號、高阻抗電路走短線等原則。

3．2 軟件抗干擾

按來源不同，軟件干擾類型主要分為兩大類：一類是輸入輸出通道受到干擾，使系統(tǒng)不能準確控制；另一類是程序在執(zhí)行過程中，程序受到干擾而跑飛。在設計系統(tǒng)時采用：

(1)系統(tǒng)上電自診斷

在系統(tǒng)冷啟動時，首行CPU、RAM等自檢。如果發(fā)現(xiàn)異常，則報告錯誤并等待修復，避免帶病工作。

自檢一般有以下方法：

上電自檢；定時自檢；鍵控自檢。

(2)使用監(jiān)控定時器即看門狗技術

監(jiān)控定時器是當系統(tǒng)軟件受到干擾時偏離了預定的路徑運行的監(jiān)控電路使系統(tǒng)復位。大多數(shù)單片機系統(tǒng)都設置監(jiān)控定時器電路。

(3)設置軟件陷阱

在程序區(qū)的斷層，以NOP指令填空，以保證因干擾而造成彈飛的程序盡快步入正常運行軌道。用一條強跳轉引導指令強行將捕獲的程序引向一個地址。在它前面還加2條NOP指令。

(4)在所有未使用的中斷入口，均以RETI指令填充。

4 結論

不間斷電源是強電信號與弱電信號交叉的系統(tǒng)，存在著各種各樣的干擾。如果系統(tǒng)沒有足夠強的抗干擾能力，即使總體設計，硬件設計，軟件設計都合理也不能保證系統(tǒng)很好的工作。實際系統(tǒng)干擾復雜，需要在實踐中不斷積累經(jīng)驗。只有這樣，才能設計更佳的電路。