本文将以centralion的两款机型—Blazer600、RielloTower1100为例，试图系统讲述工频方波机和高频弦波机的工作原理与研发设计。所依据线路图为：BLAZER MODULE MAIN 600VA/120V（711-C41000-04）、PSDR 7151（1000VA/120V）CENTRALION（710-15297-02）。
概述
先介绍一下UPS的分类、工作方式和术语。
1.分类
⑴后备式（off line）方波输出UPS电源：其单机输出功率为400～2000VA左右。当市电在162～268V、45Hz～55Hz的范围内，它向load提供经变压器抽头处理过的一般市电电源，此时inverter处于自动关机状态。当市电电压低于162V或高于268V±5%、频率低于45Hz或高于55Hz±1Hz（发电机的频率范围更宽）时，它向用户提供具有稳压输出特性的50Hz方波电源。
⑵后备式（off line）弦波输出UPS电源：其单机输出功率为500～3000VA左右。当市电在160～281V、45Hz～55Hz的范围内，它向load提供经变压器抽头处理过的一般市电电源，此时inverter处于自动关机状态。当市电电压低于160V或高于281V±4%、频率低于45Hz或高于55Hz±1Hz（发电机的频率范围更宽）时，它向用户提供具有稳压输出特性的50Hz弦波电源。
⑶在线式（on line）UPS电源：其单机输出功率为0.7～1500kVA。当用户在采用多机“冗余”并机配置方案时，可将数台至数十台具有相同输出功率和相同型号的UPS电源直接并机而形成7000～8000kVA的大型UPS供电系统。在线式UPS向用户提供高质量的纯净正弦波电源。
还有两类非centralion/phoenixtec主流产品
⑷在线互动式（interactive）UPS电源：其单机输出功率为0.7～20kVA。当市电电压在180～240V的范围内，它经由一条传输电缆所组成的交流旁路直接向load提供市电电源。当市电电压在150～180V或240～276V范围内，它经由变压器抽头调压处理电路所组成的交流调压器向用户提供197～250V的市电电源。仅仅当市电电源的电压低于150V或高于276V时，它才向用户提供真正的inverter正弦波电源。也称为准在线式UPS。
⑸Delta变换型UPS电源：其单机输出功率为10～480kVA。当市电电源满足电压波动≤±15%，频率波动≤±3Hz时，由Delta变换器所提供的幅度不超过15%的inverter额定输出电压的补偿电源经串联在主供电电路中的补偿变压器与输入电源共同构成串联稳压电源。当输入电源不在上述电压和频率范围内，由主变换器（不带inverter输出隔离变压器）向用户提供正弦波的电源。
GB/T14715-93 按照输出容量的分类：3kVA以下的属微型UPS，3～10kVA属小型UPS，10～100kVA属中型UPS，100kVA以上才是大型UPS。
2.工作方式
何谓工频机？何谓高频机？
Converter、inverter的功率管、变压器工作频率是多少，以它来判断！频率＞20KHz的就为高频机，若频率等于50Hz就称为工频机。而不管AVR、charger部分如何。
工频机的特点：较笨重的工频变压器，优点：一般认为可靠性高。
高频机的特点：较小的高频变压器，优点：体积小、重量轻、成本低。
反过来就变成了各自的缺点。
3.术语—专有名词
UPS：Uninterruptible Power System(or Supply)，在电网停电时提供交流电源的设备？IEC62040-3 GB/T7260.3-2003 变流器、开关和储能装置（如蓄电池）组合构成的，在输入电源故障时，用以维持负载电力连续性的电源设备。
SPS：Switching Power Supply
SMR：Switching Mode Rectifier习惯于指通信电源
converter：变流器 电力电子变换的运行单元，包含一个或几个电子阀器件、变压器，必要时还有滤波器和辅助装置（如有）。
rectifier：整流器 用于整流的AC/DC变流器。
inverter：DC/AC，将直流电转换成交流电的变换器。
AVR：Auto. Voltage Regulate
PFC：Power Factor Correct
冷启动：指在没有市电时启动UPS。
线性负载：linear load 当施加可变正弦电压时，其负载阻抗参数（Z）恒定为常数的那种负载。
非线性负载：non-linear load 负载阻抗参数（Z）不总为恒定常数，随诸如电压或时间等其他参数而变化的那种负载。有两种含义：①负载中包含有电感性或电容性负载所导致的在50Hz正弦波电源的驱动下所产生的电压波与电流波之间的相位差问题。但出现在负载上的电流波仍然维持着正弦波的形式。②计算机或通信设备之类开关电源型负载，会使出现在电网上的电流波形变成钟形。造成市电的电压波顶部被削平，电压畸变很大。会向市电电网大量反射谐波电流，从而造成电压波发生畸变。即所谓“污染电网”。
PWM:Pulse Width Modulate，脉冲宽度调制。
SPWM：Sine Pulse Width Modulate，正弦脉冲宽度调制。
SPWM的重要特点是：当正弦波的幅值小于三角波的幅值时，逆变器输出电压中的基波分量大，输出波形中不包含3、5、7次等低次谐波分量，如载波比N=fΔ/f~≥20则仅存在17、19次等高次谐波。L、C滤出正弦波容易。
电流峰值系数CF：电流峰值系数是指电流周期波形的峰值与有效值之比。
V/F：电压有效值除以频率。V/F=kNBAe V-input voltage F-frequency k-系数（方波取4.0，弦波取4.44）N-匝数 Ae-磁芯截面积 B-磁感应强度，由材料决定
一个变压器的k、N、Ae都是确定的，工作时V、F、B三个值是会变化的，可见V/F的大小变化就决定B的大小。而B的值超过一定范围，变压器就会饱和。所以，centralion在软体设计、验证测试时采用了V/F这个术语。
磁通Φ=磁感应强度(磁通密度)B×截面积A 1Gs=10-4Wb/m2 (T)=10-8Wb/cm2
电磁感应定律e=-N=-NA Bmax=
若一个变压器传递的功率过大，或者说给它加较大的负载，变压器不会饱和吗？还是不叫“饱和”、而应该称之为“功率的自我”。
4.UPS的功率因数
4.1首先，要清楚功率因数的基本概念。Power Factor/PF
我们最初在教材上所学的是，P=UIcosφ，cosφ就称为功率因数，而φ是电压电流的相位差。
但工程上认为功率因数有两个产生原因或两种表达方式：相移因数cosφ和失真因数γ。相移因数一般产生在如容性或无铁芯电感负载等等上面。由于负载上正弦电压与正弦电流的相位不同而产生了相移因数；但两者都是正弦波，电流波形中没有由于负载所引起的附加谐波电流。失真因数主要产生在二极管整流、可控硅整流和带有铁芯的感性非线性负载上，工作时会产生较大的谐波电流。当用电负载的电压与电流既有相位差φ又有谐波电流时的功率因数称为总功率因数PF。
。为电流的基波分量有效值，为与V的相位移或相位差；称为谐波因数或失真因数，称为相移因数。
4.2UPS的功率因数，既是一个易混淆的概念，也是一个一直存在争论的问题。
UPS有两个功率因数值：输入功率因数和输出功率因数。输入功率因数表示UPS对电网有功功率吸收的能力及对电网影响的程度；输出功率因数表示UPS对非线性负载的适应能力。当然，对输入功率因数的要求是越高越好，而UPS的输出功率因数却不一定越大越好。
甚至连UPS的输出端到底叫“输出功率因数”还是叫“负载功率因数”都是存在争议的。请先看以下标准中的定义：
“YD/T1095-2000通信用不间断电源-UPS”标准，输出功率因数≤0.8。
“GB/T14715-93信息技术设备用不间断电源通用技术条件”标准，负载功率因数为0.8。
“GB/T7260-87不间断电源设备”标准，负载功率因数规定为0.7～0.9（滞后）。
“IEC62040-3:1999不间断电源设备（UPS）第三部分：确定性能的方法和试验要求”标准，3.5.12负载功率因数load power factor 5.3.2负载功率因数的允许范围。
可以看到，更多标准中都是采用负载功率因数，而只有“原邮电部标准”才使用输出功率因数。我们先看看下面的认识：
①UPS输出端的功率因数是由UPS内部电路决定还是由负载性质决定呢？
观点1一UPS输出端的功率因数是由UPS的内部电路所决定的，但受到负载功率因数的影响。原因是inverter输出都必须经过一个由变压器和并联的电容组成或是输出滤波电感/电容的滤波电路，它除了滤掉高次谐波外，对于基波来讲也是一个电感和并联的电容组成的固定的内部电路。Inverter功率器件除了供负载电流外，还必需供给这个滤波电路的电流。功率器件的电流是这两个电流之向量和组成的。因此在设计功率器件的额定值时，就必须规定输出负载电流的数值和相位关系，也就是额定容量及负载功率因数。所以这个参数是UPS额定输出容量的一个必须条件，也就是说在负载功率因数为某一数值下，规定UPS的输出容量的额定值。因此一般UPS其技术参数多为xxVA/cosφ=xx或xxVA/xxkW。滤波电感和或滤波电容则决定了供给负载的无功功率的大小，但其大小是由厂家根据滤波要求设计的，不是按输出无功功率计算的。
例如，额定容量2kVA的UPS在负载功率因数0.8情况下，应供给负载1.6kW的有功功率，1.2kVar的无功功率。而逆变器只供给有功功率，无功功率则由输出滤波电感L和或电容C来供给，至少要有1.2kVar大小。所以，即使总的视在功率S≤2kVA、有功功率P≤1.6kW，但若无功功率Q＞1.2kVar那也是不行的。
UPS的输出功率因数不仅是用来表明输出有功功率的指标，同时还是表示UPS输出无功功率的指标。经大量的测试发现，确有一些小容量（3kVA～5kVA）的UPS在用阻性负载测试时，其输出有功功率和输出电压波形失真度均符合标准要求。但改用与其输出功率因数相符合的二极管整流非线性负载测试时，UPS不但显示过载告警而且输出电压波形失真度明显增加，同时UPS产生电磁振荡及啸叫声。这种现象说明UPS不足以提供负载所需的谐波电流，导致UPS与负载都不能正常工作。
观点2—UPS输出端的功率因数是由负载性质决定的，这是比较容易理解的。
②UPS输出端的功率因数是否作为一个的指标来考核？
在考核UPS输出能力时不能只用阻性负载测试UPS的输出有功功率，还需用与UPS输出功率因数相适应的二极管整流非线性负载、带有铁芯的感性负载和电容性负载分别进行输出功率因数的测试。只有这样才能全面考核UPS对各种阻抗特性的负载的驱动能力。
事实上，UPS很少被用来照明或带电热器之类的线性负载，绝大多数负载是PC、小型服务器，这些负载的输入电路一般都是二极管整流非线性负载，相移因数cosφ高达0.98；但失真因数γ较低，只有0.65左右，所以这类负载的总功率因数为0.6～0.7。对大型UPS来说负载情况比较复杂，其三相输出的负载阻抗特性分布也不尽相同，所以要根据负载的具体情况来评价UPS的输出功率因数。
③显然，UPS输出端的功率因数不是一个点，但是否应该注明负载功率因数的范围？
通常UPS的输出功率因数是在容性负载下给出的。UPS不宜带电感性负载（即负载功率因数为小于1的正数），如电钻、电风扇、冰箱等，当UPS带电感性负载时，其驱动能力会大大下降且易损坏。而且也不能接半波整流型负载。
那么，UPS到底适合带哪些类型的负载？适合带阻容性（如电脑）、阻性、微感性负载。
现在也有输出适应能力很强的UPS，其输出功率因数范围可做到超前0.0～滞后0.0，即可输出由100%无功功率到100%有功功率，也就是说它可以带全范围任何性质的负载。如德国EGB 100/300系列5～200KVA及Benning 5～120KVA的UPS，当然这种UPS的造价和售价都是较昂贵的。总之，UPS功率因数的技术含量在小而不在大。
4.3介绍带有铁芯的感性负载和二极管整流非线性负载条件下输出功率因数测试方法：
带有铁芯的感性负载测试电路中，L为带有铁芯的电感线圈，R为电感线圈电阻与串联负载电阻之和。负载电路中电流与电压的相位角φ由电阻R与电感L决定，即φ=arctgωL/R。调节电阻R或电感L可改变相位角φ使cosφ与UPS的输出功率因数相等。
二极管整流非线性负载的测试电路中，Rs是模拟电源线的压降，同时可通过调节Rs、电容C及负载电阻RL的值使非线性负载的功率因数在小范围内变化。当RL与C的时间常数为0.15s、Rs上的功率是视在功率的4%时，此非线性负载的功率因数为0.7。
第一部分 原理篇
工频方波机的工作原理
1.方框图
可见，工频方波机除了MCU外，仅分为三部分：4个relay、inverter、charger。怎么样？看起来还是比较简单的。
2.工作原理
2.1relay的逻辑关系
⑴RY1起什么作用？切断neutral、还是并联line？
W2B NC所以不是并联line的作用，而是切断neutral。据说：UL目击测试时一定要求既切断line、又切断neutral。但UL1778 Second Edition:1994 29 Backfeed protection which will open the input ac circuit when the input ac power is interrupted,complies with this requirement. 29.3.1 The backfeed protection for a stationary UPS,with an output that is not a separately derived system,shall: a) Open or de –energize all supply conductors;or 也就是说并没有找到法规上的明确的证据。但是考虑到：abnormal test可能会把输出的L、N短接，从而导致输入的neutral对地有危险电压，所以还是要切断neutral。
RY1 NC是为了cost down。
⑵boost relay、buck relay动作后为什么是接在变压器的同一抽头？如此如何既能实现boost又能实现buck呢？
首先要看成一个自耦变压器，观察line线的I/P、O/P。当boost relay动作时，其常开触点闭合，line线从TX的中间抽头输入、从上端经buck relay的常闭触点输出—升压。当buck relay动作时，其常开触点闭合，line线从boost relay的常闭触点输入、从中间抽头输出—降压。
交流旁路中的自动稳压控制电路是什么？是指哪些电路？就是指boost relay、buck relay和TX组成的自耦变压器。用变压器实现AVR。
⑶output relay 开机前output relay为常开，无论line mode（市电电压的波动范围在～145V±5%之内，频率在Standard/Step 55～65Hz±1Hz or Generator 40Hz±1Hz～No limit）或Bat mode时，output relay动作，常开触点闭合输出O/P-L。
Outpur relay是否切换输出O/P-L？
当inverter工作时，main-relay会断开，output relay不是切换市电与逆变的输出；而是断开整个UPS与load的连接，为何？Fault—output relay恢复常开—断开所有市电/逆变的输出，虽然Bat mode/Fault会关掉inverter的输出。
2.2inverter的工作原理
Push-pull的架构或称拓扑topology。
推挽式变换器电路是由两个正激式变换器电路组成，只是它们工作时相位相反。在每个周期里，两个晶体管交替导通和截止，在各自导通的半个周期内，分别把能量传递给负载，所以此种变换器更准确地说应该称为推推变换器（push-push converter），但是习惯上我们还是称之为“推挽”电路。
该图所画线路图，是经典的AC/DC push-pull topology，输出是DC时的全波整流、LC滤波电路。回到Blazer 600VA的具体线路中来，V1、Vce20波形是考虑到原边两绕组的耦合，inverter两个线圈上电压波形均如同V1，故得TX输出电压方波波形。仅幅值不同，乘以匝数比n=≈31。在低输入电压时，push-pull比half bridge or bridge优越，因为任何时候最多只一个开关管工作，开关损耗比较小。为什么有些架构battery—push pull得bus电压—push pull逆变输出？因为battery电压会不断降低，而通过push pull所得的bus电压稳定，若再push pull逆变就可采取固定的占空比duty，环路稳定、效率高，但一般后级不会再采用push pull。
优点：基极驱动电路不需要隔离，MOSFET S极共地嘛，即基极驱动电路简单。
缺点：开关管要承受2倍以上的峰值电压，很小的直流电压磁芯就可能饱和。
市电I/P(L)、I/P(N)经由D21、D22、D23、D24所组成的桥式整流电路，及由R45、R45A和C22所构成的具有小时间常数τ＝=0.4s的积分电路处理后，就可得到市电输入电压检测信号LINE-I/P。市电输入频率检测信号ZERO-CRO是怎样实现检测的？Q14 2222的通断把正弦波转变成方波，软体使用MCU定时器的一个通道作为过零侦测，记录方波相邻两次上升沿或下降沿的时间差，就是市电的周期，通过一定的算法求出频率。
能造成UPS电源进入逆变器工作状态的市电电源条件有：
●当市电电源电压低于V±5%，或高于145V±5%时；
●当市电电源的频率低于55Hz±1Hz，或高于65Hz±1Hz时。
LINE-I/P、ZERO-CRO被分别送到CPU U01的PIN11、27后，利用存储在CPU中的PROM中的市电电压和工作频率的预置值来进行判断inverter是否应投入运行。当市电电源的电压和频率都符合要求时，从CPU的PIN18、19所输出的控制信号DS-P、DS-N都是低电平，inverter处于自动关机状态。反之，当市电电源的电压或频率超过所允许的工作范围时，DS-P、DS-N都是高电平。上述两路信号分别送到Q20/Q24、Q23/Q25和变压器TX所共同构成的push-pull topology进行功率变换。
DIS1、DIS2是起安规之backfeed protection，若模拟异常故障Q03 C、E short，因D0002、D0003的箝位作用，Q20/Q24、Q23/Q25不能导通，inverter停止工作，从而达到防止同时将两路没有任何同步跟踪功能的50Hz方波电源和市电正弦波电源送到同一变压器的初级绕组上的事故发生。
怎样保证inverter所输出的方波电源具有自动稳压功能呢？O/P-V是检测输出电压，次级反映初级嘛，应可实现负反馈控制—电压环。load detect CT01检测负载送MCU调节duty。
2.3charger的工作原理
线性电源 D33、D34、D35、D36 1N5402桥式整流，C13 680UF/35V滤波，U02 LM317T调压2K//4.02K//75K//4.99K=1.04K 100//3K=96.8 Vout=(1+)×1.25v=13.8V、输出电流1.5A短路电流2.2A给电池充电。LM317如果输出电流达不到1.5mA以上，就无法正常稳压工作。
CLMP-OFF是为了修正inverter输出方波下降沿，把斜的拉直，100Hz，通过短路charger绕组消耗掉MOSFET关断时变压器之反电势来拉直……
2.4MCU的控制功能
MCU：microcontroller unit单片机，是在一片硅片上集成了处理器（CPU）、存储器（RAM，ROM）和各种输入输出接口（I/O、定时器/计数器、串行口、ADC、DAC）。
CPU：central process or unit只由运算器和控制器组成
freescale MC68HC908JL8的资源：8192 bytes FLASH 256 bytes RAM 13-channel 8-bit ADC 26 I/O ports
Blazer 600VA是以U01（MC68HC908JL8）微处理器控制芯片为核心所构成的一台低成本后备式方波输出UPS。该控制器共有32个引脚，它所需要的直流辅助电源为5V or 3V。最大的internal bus频率：8-MHz at 5V operating voltage，4-MHz at 3V operating voltage。根据对MCU的输入信号和输出信号的控制功能分析，可将其各相关端口的控制功能列表简述如下。
表1 MC68HC908JL8的控制功能
| PIN | PIN DESCRIPTION | 控制信号 | |
| 1 | IRQ External IRQ pin In | 无 | |
| 7 | VDD Power supply In | 5V直流电源输入 | |
| 3 | VSS Power supply ground Out | 地线 | |
| 4 | OSC1 Crystal or RC oscillator input In | 19.66MHz晶振输入端 | |
| 5 | OSC2/PTA6 Pin as PTA6/KBI6 I/O | 19.66MHz晶振输入端 | |
| 2 | PTA0 | 8-bit general purpose I/O port. Pins as keyboard interrupts,Kbi0-7. PTA0-PTA5 and PTA7 have LED direct sink capability. PTA6 as OSC2/RCCLK. | MAIN-SW开机信号 |
| 6 | PTA1 | MAIN-RLY控制信号 | |
| 8 | PTA2 | Green Function 判断是否需绿色功能 Bat. Mode ＜7%load 5min.关inverter | |
| 9 | PTA3 | AVR Detection Model是否有AVR功能 | |
| 25 | PTA4 | LED2-指示灯信号 | |
| 29 | PTA5 | BST-RLY控制信号 | |
| 31 | PTA7 | O/P-RLY控制信号 | |
| 23 | PTB0 | 8-bit general purpose I/O port. Pins as ADC0-7 input channels. | Standard/Generator Input Mode发电机否 |
| 22 | PTB1 | VA Mode Dection判断是多大功率的机种 | |
| 20 | PTB2 | CLMP-OFF控制信号，低电平有效 | |
| 19 | PTB3 | DS-N inverter MOSFET Q20/24驱动信号 | |
| 17 | PTB4 | 电池电压检测信号输入 | |
| 12 | PTB5 | LOAD检测信号输入 | |
| 11 | PTB6 | LINE-I/P市电电压检测信号输入 | |
| 10 | PTB7 | O/P-V输出电压检测信号 | |
| 18 | PTD0 | 8-bit general purpose I/O port. PTD0-3 as ADC11-8 input channels PTD2-3 and PTD6-7 have LED direct sink capability. PTD4-5 as T1CH0-1 of TIM1. PTD6-7 have configurable 25mA open-drain output.PTD6 as TXD of SCI.PTD7 as RXD of SCI. | DS-P inverter MOSFET Q23/25驱动信号 |
| 21 | PTD1 | CHG-OFF控制信号，高电平有效 | |
| 26 | PTD2 | LED3-指示灯信号 | |
| 24 | PTD3 | LED1-指示灯信号 | |
| 28 | PTD4 | BUCK-RLY控制信号 | |
| 27 | PTD5 | ZERO-CRO市电频率检测信号输入 | |
| 14 | PTD6 | RS232发射信号 | |
| 13 | PTD7 | RS232接收信号 | |
| 15 | PTE0 | 2-bit general purpose I/O port. PTE0-1 as T2CH0-1 of TIM2. | SHUTDOWN关机信号 |
| 16 | PTE1 | 蜂鸣器报警信号 | |
| 30 | RST Reset input,active low | Reset | |
| 32 | ADC12/T2CLK channel-12 input of ADC | VoltageModeDetection判断是什么电压机种 | |
2.5开机自检功能
2.5.1开机电路
当用户将panel面板上的开机按钮SW1按下时，CN03 PIN7、8短接，BAT-V通过R42、R43对C15充电，τ=RC=(24.9k+10k)×2.2uf=76.78ms，Q12 Vbe==2.23V，迫使Q12进入饱和导通状态，从而Q11也进入饱和导通状态。在此条件下，约12V的电池电压将会经由晶体管Q11的发射极-集电极和电阻R103、电容C16向三端稳压U03（78L05）的输入提供电源，输出得到+5V，就建立起所需直流辅助电源。当然，MCU有+5V才能工作嘛。同时，MAIN-SW得到高电平送给MCU开机。
2.5.2开机自检
在市电供电正常的条件下，当用户开机时，会立即见到分别位于panel面板上的（三个）LED指示灯同时亮一个很短的时间2s，同时蜂鸣器鸣叫，以检查指示灯系统是否工作正常。然后，立即将UPS置于逆变器工作条件下运行约6秒钟（多数Blazer机器没有开机自检功能，且要区分上位机发命令或按Test自检），以检查UPS中的逆变器和电池组工作是否正常。此时，MAIN-RLY在MCU控制下，将UPS的输出端置于由逆变器方波电源供电的条件下，通过此方式也得以检查MAIN-RLY工作是否正常（一般只说电池自检Bat. mode）。如果经检测一切工作正常，则在逆变器运行6s后，UPS通过MAIN-RLY自动执行逆变器供电-交流旁路电源供电的切换操作。此后，这台UPS将一直处于由交流旁路电源供电状态之中。相反，如果自检发现某部分有问题时，它就以各种报警方式向用户报警，以提醒用户及时进行检修。
软体侦测“电池未接”的逻辑：在市电正常的情况下关闭充电（不开INVERTER，即UPS仍处于交流旁路供电状态），如果电池电压在3s内降到电池低报警点（一般在11V左右）以下，则认为电池未接或电池需要更换，发出报警信号。
尚可采用其它逻辑，如将充电模式设定在恒流模式，80ms以后检测电池电压，若电压上升了0.50V以上与电池平均电压大于14V，则定义电池没接。
高频弦波机的工作原理
1.方框图
可见，高频弦波机除了MCU外，分为四部分：4个relay、converter、inverter、charger。与上面讲的Blazer 600VA工频方波机相比较，仅增加了一级DC/DC—converter。
2.工作原理
4个relay的逻辑关系同上面讲的Blazer 600VA工频方波机，通过I/O板的boost relay、buck relay改变TX变压器的抽头来实现Auto Transformer。
2.1converter工作原理
Improved flyback topology.
2.1.1经典的flyback topology
我们首先来讲讲什么是经典的flyback？所谓经典是指功率变换电路的拓扑形式，所谓拓扑形式是指开关管、变压器、输出整流电路的架构。
工作过程如下：当MOSFET Q13/14/15导通时，它在变压器初级电感线圈中储存能量，与变压器次级相连接的超快恢复二极管D18（8A/600V/trr 25ns）处于反偏压状态，所以二极管D18截止。在变压器次级回路无电流流过，即没有能量传递给负载；这句话要准确理解，是指变压器而已；负载还是会得到能量，从C45所储存的能量中得到。当MOSFET截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转过来，使得二极管D18导通，既给输出电容C45充电，同时在负载RL上也有了电流。
工作模式：CCM or DCM，连续模式/完全能量传递方式或不连续模式/不完全能量传递方式。CCM就是所有储存在变压器初级电感中的能量在开关管导通前都要传递到变压器的次级，Lp低一些，峰值电流大，铜损增加，输入电容纹波电流增大。DCM就不是所有的储存在变压器初级电感中的能量在开关管导通前都传递到变压器的次级，Lp相对大些，变压器体积大，峰值电流小。
优点：因变压器起到公共扼流圈choke的作用，所以输出部分一般不需要加滤波电感。电路结构简单，可以实现多路电压输出。
缺点：因变压器只在B-H磁滞回线的第一象限工作，所以注意不要使其饱和，通常的做法是加gap。输出功率小，如≤50W或≤100W，但也有做到1000W。
2.1.2改进的flyback topology
所谓改进就是在经典电路上有变化，或称创新。我个人的观点是鼓励创新，但要慎重！
改进在哪里呢？是用超快恢复二极管D17、D18 FES8BT（8A/100V/35ns）从初级直接整流到次级，C38、C50滤波；再与变压器次级绕组之整流滤波所得电压叠加。
D=n(Vo-Vi)/(Vi+nVo) Vc=(Vi+nVo)/(1+n)
优点：效率高，避免了变压器的偏磁问题。
缺点：EMI干扰大，可靠性有待实际检验？
2.1.3PWM控制芯片UC3843
首先建立一个系列的概念，UC3842/3/4/5系列是非常常见的、用得非常普遍的PWM控制芯片。UC184X是军品，适于-55℃～+125℃；UC284X是工业品，适于-40℃～+85℃；UC384X是民品，适于-10℃～+70℃的环境温度。UC3842/4 have UVLO thresholds of 16V (on) and 10V (off).UC3843/5 are 8.5V (on) and 7.9V (off).UC3842/3 can operate within 100% duty cycle.UC3844/5 can operate with 50% duty cycle.
UC3843是单端输出电路，它是一种高性能的固定频率current mode控制器电路。
其次，要有电压型、电流型两种控制模式的概念。Voltage mode只对输出电压采样并作为反馈信号实现闭环控制，以稳定输出电压。优点：单环反馈的设计和分析较易。缺点：因任何输入电压或输出负载的变化必须首先转化为输出电压的变化，然后再经电压环采样调节，所以响应速度慢；稳定性差；甚至引起变压器偏磁化饱和而产生电流尖峰。
Current mode增加了电流反馈环，电感电流不再是一个变量。优点：具有快速的输入输出动态响应；固有的逐个脉冲的电流，简化了过载保护和短路保护；具有自动磁通平衡功能（half bridge安秒不对称-伏秒不对称-半桥失控）。缺点：需要双环控制，增加了电路设计和分析的难度；因电流上升率不够大，在没有slope compensation时，当duty大于50%时，控制环变得不稳定；因控制环控制电流，使负载调整率变差。
最后，要理解斜坡补偿的概念。当duty大于0.50时，Io电感电流的下降率大于上升率，平坦的上升率使电感电流出现一个小的干扰而被放大，最终导致电路不稳定。斜坡补偿可使电感线圈的平均电流不再随输入电压和占空比的变化而变化，同时电路在任何占空比下亦变得稳定。补偿的斜率必须等于滤波电感电流下降斜率的1/2。
在斜坡端（4脚）接一电阻至电流感应端的方法是直接在Rs的感应电压上加上了斜坡的斜率，再与平滑的误差电压进行比较。
2.2inverter工作原理
Bridge topology Q24、Q25、Q26、Q27构成全桥变换器，Q24/Q27、Q25/Q26分别是同时导通的，它们称为对管。但是在软开关中，Q24/Q25称为超前臂、Q26/Q27称为滞后臂，是因驱动信号的关断时间不同。这是仅仅给大家导入一个概念。MOSFET对管的轮流导通和截止，使得（加在高频变压器初级）A、B接点的电压在+BUS.V和-BUS.V之间变化，即形成方波。这样，在MOSFET截止时，永远不会出现高于BUS.V的漏极截止电压。当然，实际上由于变压器的漏感等所形成尖峰仍会超出。方波经L1 2mH、C17 9uF/180V滤波，INV-L、INV-N就得到正弦波。
IR2104SM is half-bridge driver,Voffset 600Vmax.,Io+/- 130mA/270mA,Vout 10-20V,ton/off(typ-) 680&150ns,Deadtime(typ-) 520ns.它的应用很简单，从PIN2输入PWM信号，从PIN7、PIN5输出互补的高、低电平驱动信号。R81有两个作用：tr=tf=2.2RgCiss，Rg驱动源的阻抗，所以tr≈220Ω×1160pf=0.25us，设计师通过改变R81的阻值来设置MOSFET的上升、下降时间；第二个作用是（小）电阻可以消除寄生振荡。R39是关断MOSFET的加速电阻。Q22 2907ASM仍起加速关断的作用，关断电流于R81所产生电压大于约0.60V时，Q22饱和导通，从而Ciss迅速放电。
2.3charger的工作原理
经典的flyback topology 看功率开关管Q2 IRF830、高频变压器TX1 EEL19、输出整流二极管D15 FES8BT
PWM控制部分 UC3843 fosc===58KHz，开关频率约29KHz，R63 3.3K（PIN8-4）、C2/C3 472（PIN4-GND-R）。Q3 2222ASM、D610 1N4148、R79 4.99K构成slope compensation，斜坡端（4脚）接Q3 b、Q3 e接电阻R79至电流感应端。
功率变换部分 通过Q2 IRF830的开通与关断，在TX1 PIN2-5初级绕组上形成方波，从而传递到变压器的次级。D15 FES8BT半波整流，C36 220uF/35V滤波，C27 104高频滤波得到CHGR-OUT。
电压环路 R73、R75、R78取样电路，可编程控制器U4 AZ431，光耦U3 NEC2561和UC3843 PIN1 COMP误差放大器的输出组成电压环。431可等效地看作内含基准电压和误差放大器的稳压集成电路，工作时电路自行调节阴极端子电压，以使Vref端的电压永远保持2.50V。=2.50V，x≈20V，但因电池是12V/9Ah，计算数值不对，所以CHGR-LEV要找到在哪里？输出电压的变化会导致431 K极电位变化，光耦中发光二极管的亮度变化，光耦的接收三极体压降变化，UC3843 PIN6驱动脉冲宽度随之变化，形成负反馈控制。
电流环路 R9 1.30Ω/1W，Rsense检测初级电流，经R37 2K、C25 221滤除尖峰后，送到UC3843 PIN3 Isense，从而调节占空比。
2.4MCU的控制功能（CNTL MODULE）
2.4.1Hitachi H8/3062BSM FP-100B的资源：128 kbytes ROM 4 kbytes RAM 8-channel 10-bit ADC 2-channels 8-bits DAC 70 I/O ports
Riello Tower 1100VA是以U2（H8/3062B）微处理器控制芯片为核心所构成的一台高频后备式弦波输出UPS。该控制器共有100个引脚，它所需要的直流辅助电源为5V。最大的clock rate：25MHz。根据对MCU的输入信号和输出信号的控制功能分析，可将其各相关端口的控制功能列表简述如下。
表1 H8/3062B的控制功能
| PIN | PIN DESCRIPTION | 控制信号 | ||
| 35,68 | Power Vcc power | +5V直流电源输入 | ||
| 11,22,44, 57,65,92 | Power Vss ground | 地 | ||
| 1 | Vcc power | Connect an external cap between this pin and GND(0V) | ||
| 66,67 | Clock XTAL crystal | 24.576MHz晶振 | ||
| 61 | Clock φ Out | ENTER.SW(早期的定义，现riello改其它) | ||
| 73,74,75 | MD2 to MD0 In | CPU操作模式选择，地址空间不同 | ||
| 63 | RES | System control | Reset input | |
| 10 | RESO/FWE | FWE Flash mode enable(connect to PIN6) | ||
| 62 | STBY | NC | ||
| 59 | BERQ | TEST.SW Test switch detection | ||
| 60 | BACK | CONF.SW Configure switch detection | ||
| NMI | Interrupts | NC | ||
| 16,17, 87 to 90 | IRQ5 toIRQ0 | REPO Emergency power off @ any mode FAN.CLK1/2风扇lock侦测 | ||
| 36 to 43 45 to 56 97to 100 | A23 to A0 | Address bus | S.D.关断控制电源,BST.OFF Boost circuit off, INV1/2.OFF关闭逆变,MODEL0/1/2/3, S.CHGR NC,RESERVED0/1 预留 | |
| 18 to 21 23 to 34 | D15 to D0 | Bidirectional data bus | PLUG1/2/3.DR NC,BUCK.DRV I/O板RY2驱动,BST.DRV I/O板RY1驱动,MAIN.RLY 功率板RY3驱动 | |
| 2 to 5 88 to 91 | CS7 to CS0 | Bus control | P1(19.2KHZ duty50%)送给三角波产生电路, P2 Duty modulated SPWM waveform, RING NC(现Riello改为控制),BUZZER 蜂音器,FAN1/2.ON 风扇速度控制 | |
| 69 | AS | NC | ||
| 70 | RD | NC | ||
| 71 | HWR | NC | ||
| 72 | LWR | NC | ||
| 58 | WAIT | ON.SW On switch detection | ||
| 93 to 96 | TCLKD to TCLKA | 16-bit timer | SINE.PWM NC | |
| 95,97,99 | TIOCA2 to TIOCA0 | LINE.ZC市电频率 | ||
| 96,98,100 | TIOCB2 to TIOCB0 | INV.ZC逆变输出频率 | ||
| 2 to 9 93 to 100 | TP15 to TP0 | Programmable timing pattern contraller(TPC) | FWE enable flash mode(connect to PIN10) LINE.ZC市电频率，INV.ZC逆变频率 | |
| 12,13 | TxD1,0 | Serial communication interface (SCI) | 发送数据 | |
| 14,15 | RxD1,0 | 接收数据 | ||
| 16,17 | SCK1,0 | 串行时钟 | ||
| 78 to 85 | AN7 to AN0 | A/D converter | TEMP NC,EBM.NUM NC,BAT.VFB电池电压侦测,BUS.VFB BUS电压侦测,CURR.V负载的大小,LINE.V市电电压,O/P-V输出电压 | |
| 84,85 | DA1,DA0 | D/A converter | O/P-V输出电压 SINE.REF基准正弦波 | |
| 76 | AVcc | Analog power supply | A/D D/A的电源 | |
| 86 | AVss | A/D D/A的地 | ||
| 77 | Vref | A/D D/A的参考电压，431产生5V | ||
| 36 to 43 | P1 7/0 | I/O Port 1 | AC.SWON NC,LED.STROBE NC | |
| 45 to 52 | P2 7/0 | I/O Port 2 | CHG.RLY功率板RY1驱动/实际NC, CHG.MODE Fast charge mode/float charge mode selection,CHG.OFF MCU通过CHARGER MODUL U2将UC3843 PIN1拉低 | |
| 27 to 34 | P3 7/0 | I/O Port 3 | BYPS.DRV Bypass relay driver,SITE.CPU Site fault detection侦测neutral与地的短接否 | |
| 23 to 26 18 to 21 | P4 7/0 | I/O Port 4 | BATFAIL Battery fault alarm signal,SUMALM Summary alarm signal,DTR DTR signal detection,SWAP Hot swap detection,LNFAIL Line fail signal,BATLOW Battery low signal,BYPASS Bypass signal(riello 3k才有) | |
| 53 to 56 | P5 3/0 | I/O Port 5 | LED.DATA LED data,LED.CLOC LED clock | |
| 61,69 to 72,58to60 | P6 7/0 | I/O Port 6 | 69 to 72没用,ENTER.SW(早期的定义，现riello改其它) | |
| 87 to 91 | P8 4/0 | I/O Port 8 | CURR.Z输出频率 | |
2.4.2辅助电路
⑴故障告警和风扇检测
BUZZER控制Q20 2222的开关，从而BZ1 BZ1221PE发出不同间歇周期的蜂鸣或喇叭声，以代表各类不同的故障告警。
建准SUNON风扇，KDE1207PHV1-A，Maglev Fan magnetic levitation，磁（悬）浮风扇。运用磁浮原理产生的360度全面吸附作用，让扇叶在系统中悬空运转；轴芯与轴承完全没有接触摩擦，噪音低、寿命长、耐高温。
但与118-20079-00规格书不符。DELTA AFB0712HHB5T21 12VDC 70*70*15，ball bearing 滚珠轴承，是运用圆金属珠运转，属于点的接触，会产生较大之噪音。还有含油轴承sleeve bearing，传统的直流无碳刷风扇马达设计，只有一个扇叶转子及一个马达定子和一个驱动回路，而借着轴芯与轴承之枢接，随着磁场感应而运转；价格便宜，寿命较短。
通过FAN1.ON的脉冲宽度调整Q19 MGSF1N03LT1导通的时间duty，从而实现风扇速度的调节。注意是三线风扇，中间黄色线FG、即FAN.CLK1信号的输出，传至MCU，以实现风扇状态的检测，如转不转、速度高低。
⑵PWM信号和其它检测
PWM1是20KHz的正弦脉冲宽度调制SPWM，PWM2是50KHz的普通脉冲宽度调制—固定脉宽的PWM。
可以看出，O/P-V检测输出电压、V.OVER实现输出电压的过压保护（OVP）、INV.ZC zero-cro检测逆变输出的频率。I.OVER实现输出电流的过流保护（OCP）、VH送AC.SWD？OVER.C也是实现输出OCP、VH送Q200/Q201、INV1/2.SD变低电平、U3/4 IR2104关闭逆变。
U202:A TL074差分放大电路，uo===5.79V。U206:A TL074比较器，正弦波的正、负半周对应着输出为正、负电源，MCU处理为频率数据。U202:B TL074半波精密整流电路，当ui＞0时，uo’＜0，D210导通、D209截止，R240中电流为零，因此输出电压uo=0；当ui＜0时，uo’＞0，D210截止、D209导通，电路实现反相比例运算，uo=-ui=-5.79V=2.90V；R238反相求和实现全波整流，C218 102实现高频滤波。
U206:B TL074差分放大电路，uo===5.14V，作为逆变输出的反馈取样。SINE.REF为基准正弦波，U5:A 358同相放大电路，uo==2.12V=8.38V。U206:C TL074 PID调节后，以此得到一个逆变输出（的反馈取样）与标准正弦波的误差信号error。U203:C TL074同相放大电路，放大一倍而已。
PI or PID是自动控制系统的概念，而UPS可以看成是一个闭环反馈控制系统，事实上任何一种开关稳压电源都可以看成是一个闭环反馈控制系统。PI or PID是电压环、电流环的一个非常重要的概念，而环路的设计是UPS设计的难点之一。我们先讲原理—
Proportion比例、Integration积分、Differential微分电路增益越大，精度越高，调节越迅速，但动态稳定性就会变差。R284/C234/R282构成比例微分电路，当输入阶跃信号时，由于C234的电压不能突变，所以在最初瞬间，放大器的增益较大；随着电容充电，增益逐渐减小；等到充电结束，放大器恢复到比例放大状态。R284/R282/C231构成比例积分电路（PI），当输入阶跃信号时，由于C231的电压不能突变，相当于短路，放大器处于较深的比例负反馈状态，增益下降，因而调节过程缓慢而稳定；随着偏差的减小，C231的充电，放大器的反馈减弱，增益也逐渐加大；当调节过程结束时，C231相当于开路，放大器又恢复高增益，以保持良好的静态精度。可见，积分和微分是相反而又相成的，如果能够恰当地配合，就能得到良好的控制效果。PID实际上是一种增益能自动调节的放大器，proportion用在常规调节、differential用来反映变化的趋势、integration用在克服误差，从而解决了控制环节稳定性与高精度的矛盾。
U200:D TL074三角波产生电路，将P1方波电压作积分运算，就得到三角波电压。U203:D TL074精密整流电路，使正弦波误差信号成为单极性。Q203 2222等，MCU关断PWM的输出。U204 393组成比较器，三角波与正弦波的比较将产生一个脉宽等于正弦波大于三角波部分所对应的时间间隔的正脉冲，从而实现正弦波脉宽调制。U205 14081 4个与门AND Gates，控制信号相与的结果保证PWM1、PWM2相位相反，从而避免inverter MOSFET的“共同导通”；Capable of Driving图腾柱输出电路totempole output。R256、R267 10K OC门上拉电阻。
⑶SITE.FAULT
从上面的线路是否可以看出site.fault的作用呢？TN-C power distribution system,neutral线和保护地是短接的。若N-G短接，光耦发光二极管没有电流流过，SITE.CPU没有信号；反之，当N-G没有短接时，且地线对I/P-N浮电位超过=3.59～4.79V，SITE.CPU就为高电平。硅管UBEQ为0.6～0.8V，锗管UBEQ为0.1～0.3V。是侦测地线浮电位、还是侦测N-G是否短接？还是侦测L、N是否接反呢？
2.5BALANCE
平衡电路—将inverter输出经C1、C2滤除交流成分，R2拾取直流成分，并由U1:A LM358 PI、U1:B LM358 比较器、光耦得到适当的负反馈信号balance，从而控制MCU发出的sine.ref，达到消除输出直流成分的目的。需要注意，这部分电路的参考地是INV-N。
当PIN6为高电平时，PIN7输出低电平，显然U3 K1010B导通，balance为=-60mV；反之，PIN6为低电平时，PIN7输出高电平，U2 K1010B导通，balance为=60mV。Balance被送到control板上给sine.ref叠加上直流分量以调节正弦波误差信号。当输出有正的直流成分时，balance输出为-60mV，反之亦然，因而形成了负反馈。直到输出直流成分被完全消除。
Samuel Qiu/November 8, 2006
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