### 11. UPS不间断电源模块

#### 模块描述
UPS（不间断电源）模块在市电异常时自动切换至电池供电，保证负载持续供电。本模块集成市电检测、充电管理、逆变输出、自动切换等功能。采用在线式或后备式拓扑，切换时间<10ms，输出纯正弦波或修正波。适用于电赛中需要电源可靠性的系统、数据采集不能中断的场合、电网质量差的环境等，是关键负载的供电保障。

#### 工作原理
```
[市电220V] → [整流] → [充电电路] → [蓄电池12V]
     ↓                                  ↓
[继电器切换] ←─ [市电检测]       [逆变器] → [220V输出]
     ↓                                  ↑
[市电正常] → [直通或整流逆变]          |
[市电异常] → [电池逆变] ──────────────┘

后备式UPS（本方案）：
市电正常：市电直接供电，同时给电池充电
市电异常：自动切换至电池逆变供电（<10ms）

在线式UPS（高级）：
市电正常：整流→逆变双变换
市电异常：电池→逆变
优点：0切换时间，输出质量好
```

#### 技术指标
- **拓扑类型**: 后备式（离线式）
- **输入电压**: 220V AC±15% 50Hz
- **输出电压**: 220V AC±5% 50Hz
- **输出功率**: 300W-1000W
- **输出波形**: 纯正弦波（THD<3%）
- **切换时间**: <10ms（后备式）
- **电池**: 12V铅酸或锂电
- **备用时间**: 10-30分钟（取决于容量）
- **充电时间**: 6-8小时（100%放电后）
- **效率**: 市电模式>95%, 逆变模式>85%
- **保护**: 过载、短路、过温、电池过放

#### 接口管脚定义
| 接口 | 名称 | 功能 | 规格 |
|------|------|------|------|
| AC_IN | 市电输入 | 220V输入 | 插座或端子 |
| AC_OUT | 输出 | 220V输出 | 插座 |
| BAT+/- | 电池 | 12V蓄电池 | 12V/7Ah-100Ah |
| BYPASS | 旁路 | 直通开关 | 继电器控制 |
| INV_OUT | 逆变输出 | 逆变交流 | 220V 50Hz |
| MAINS_DET | 市电检测 | 电压检测 | ADC输入 |

#### 板上设置和信号指示
- **输入接口**: 三孔插座，带保险丝
- **输出接口**: 万能插座×2-4个
- **切换继电器**: 大功率继电器30A
- **逆变电路**: 推挽或全桥逆变，EG8010驱动
- **充电电路**: 三段式铅酸充电器
- **显示屏**: LCD显示输入电压、电池电压、负载功率
- **蜂鸣器**: 市电异常、电池低压报警
- **LED指示**: 市电、电池、旁路、故障指示灯

#### 电气指标
- **输入电压**: 170-264V AC
- **输入频率**: 50Hz±2Hz
- **输出电压**: 220V±5% AC
- **输出频率**: 50Hz±0.5Hz
- **波形失真**: THD<3% (纯正弦)
- **额定功率**: 500W (示例)
- **过载能力**: 120%/60s, 150%/10s
- **电池电压**: 12V (10.5-14.4V)
- **逆变效率**: 85-90%
- **转换效率**: 充电80-85%
- **切换时间**: 后备式<10ms, 在线式0ms
- **备用时间**: 500W负载约15分钟（12V/40Ah电池）

#### 使用说明
1. **电池连接**: 正确连接12V蓄电池，注意极性
2. **市电接入**: 接入220V市电，观察充电指示
3. **负载连接**: 接入负载，不超过额定功率
4. **市电测试**: 拔掉市电，测试切换时间和逆变输出
5. **电池维护**: 定期充放电，避免长期满充或过放
6. **过载测试**: 逐步增加负载，测试过载保护点
7. **波形测试**: 示波器测量输出波形，检查THD
8. **备用时间**: 满载测试电池可供电时间

#### 全国大学生电子设计竞赛相关赛题
- **2013年A题**: 单相AC-DC变换电路（可扩展UPS功能）
- **2011年A题**: 开关稳压电源（备用电源设计）
- **2009年A题**: 光伏并网发电（储能和UPS结合）
- **2007年**: 电能质量监测（需要UPS保证不间断）

#### 应用技术要点总结
1. **快速切换**: 检测市电失压<1ms，继电器切换<10ms
2. **纯正弦波**: 使用SPWM逆变，LC滤波，THD<3%
3. **同步锁相**: 市电恢复时同步后切换，避免冲击
4. **电池管理**: 三段式充电，低压保护，防过放
5. **过载保护**: 软件限流+硬件断路器双重保护
6. **效率优化**: 轻载时降频或休眠，减少损耗
7. **EMC设计**: 输入输出滤波，接地良好
8. **人机界面**: 液晶显示+按键设置，参数可调

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