基于LTC3789和LT8608的家用不间断电源（UPS）设计方案

1. 概述

不间断电源（UPS）是一种能够在主电源故障或波动时提供临时电力支持的设备，常用于保护计算机、服务器、通讯设备等关键系统。本文将基于LTC3789四开关降压-升压转换器和LT8608同步降压转换器，详细介绍一种家用不间断电源的设计方案。该方案不仅实现了稳定的电压输出，还能够在电池和市电之间无缝切换，以保证设备在各种条件下的正常工作。

2. 设计需求与方案选择

UPS的核心功能包括：

• 供电稳定性：在电网电压波动或中断时，能够稳定供电。

• 切换速度：市电与电池电源之间的切换必须足够快速，避免输出电压波动影响负载设备。

• 电池管理：包括电池的充电管理和放电保护。

• 效率：在不同输入电压下均能实现高效的电力转换。

为了满足这些需求，本设计选用了LTC3789和LT8608作为核心电源管理芯片：

• LTC3789：作为四开关降压-升压转换器，适用于输入电压可能高于、低于或等于输出电压的情况，非常适合UPS的电压转换需求。

• LT8608：作为同步降压转换器，提供稳定的直流输出，保证供电的稳定性和效率。

3. LTC3789在设计中的应用

3.1 芯片概述

LTC3789是一款高效的四开关同步降压-升压转换器。它能够在输入电压高于、低于或等于输出电压的情况下提供稳定的输出电压。其工作频率可调，具有高达98%的效率，并且支持宽输入电压范围（4V至38V）。LTC3789内置的功率开关和电流模式控制能够确保在各种输入电压条件下实现稳定的电压输出。

3.2 LTC3789的主要特性

• 宽输入电压范围：LTC3789支持从4V到38V的输入电压，非常适合UPS应用中市电和电池之间的电压波动。

• 高效率：LTC3789在升压和降压模式下均能实现高效率的电力转换。

• 低静态电流：该芯片的静态电流低至2μA，极大地延长了电池供电时的使用寿命。

• 输出电压调节：LTC3789可以通过外部反馈电路精确调节输出电压，以适应不同的负载需求。

3.3 在UPS中的作用

在本UPS设计中，LTC3789用于管理市电或电池输入的电压转换。无论输入电压是高于、低于还是等于所需的输出电压，它都能通过调整内部的四个开关，实现稳定的5V或12V直流输出。这种降压-升压转换特性确保了即使在输入电压波动较大时，也能稳定输出，满足家用电器的供电需求。

4. LT8608在设计中的应用

4.1 芯片概述

LT8608是一款2A、高效率、低静态电流的同步降压转换器，支持2.5V至42V的输入电压范围，适用于从高电压输入向低电压输出转换的应用场合。LT8608采用固定频率（200kHz至2.2MHz可调），内置功率MOSFET，能够提供稳定的直流输出，最高转换效率可达96%。

4.2 LT8608的主要特性

• 高效率：在宽输入电压范围内提供高达96%的转换效率，减少了热量产生，适合小型封装的设计。

• 宽输入电压范围：支持从2.5V至42V的输入，能够适应市电与电池电压的变化。

• 低静态电流：超低的静态电流（2.5μA），在电池供电模式下可以最大限度地延长电池寿命。

• 可调频率：通过外部电阻调整工作频率，灵活适应不同的应用需求。

• 内置补偿电路：简化了电路设计，减少了外部元器件数量。

4.3 在UPS中的作用

LT8608主要用于为UPS中的控制电路及其他低功耗模块供电。它能够将LTC3789输出的电压进一步降压至更低的稳定电压（如3.3V或5V），用于驱动MCU（微控制器）或其他控制电路。这种稳定的低压供电确保了UPS在工作中的可靠性。

5. 电路设计与关键元件选择

5.1 系统架构

整个UPS设计由以下几个主要模块组成：

1. 输入电压选择电路：该电路用于检测市电状态并在市电与电池之间切换电源输入。

2. LTC3789电压转换模块：负责处理输入电压并生成稳定的直流输出。

3. LT8608稳压模块：将LTC3789输出的电压降至更低的电压，为控制电路供电。

4. 电池管理模块：负责监控电池电量及充放电状态。

5. 控制电路：由MCU控制，负责整个系统的管理和协调。

5.2 输入电压选择电路

输入电压选择电路通过比较市电和电池电压的优先级来选择适合的输入电源。该电路可以使用比较器芯片，如LM393，来监控输入电压，当市电电压低于设定阈值时，自动切换至电池供电。

5.3 LTC3789电压转换模块

在LTC3789的设计中，输入电压通过其四开关拓扑结构实现降压或升压，具体电路设计如下：

• 输入电容：选择低ESR的电容器（如10μF/50V陶瓷电容）以滤除输入电压的高频噪声。

• 开关MOSFET：LTC3789内部已集成功率MOSFET，外部无需再增加开关器件，简化了设计。

• 输出电容：为了稳定输出电压，建议使用低ESR的电容器（如100μF/16V陶瓷电容）。

• 反馈电阻：使用精密电阻网络（如10kΩ和100kΩ电阻）调节输出电压。

5.4 LT8608稳压模块

LT8608用于为系统中的控制电路提供低压稳定的直流电源，具体设计如下：

• 输入电容：使用4.7μF/50V陶瓷电容滤除高频噪声。

• 输出电容：使用22μF/6.3V陶瓷电容以保证输出电压的稳定。

• 电感器：根据电流需求选择合适的电感器（如10μH功率电感）以实现最佳的电流纹波控制。

• 反馈电阻：通过调整反馈电阻（如100kΩ和10kΩ）设定输出电压。

5.5 电池管理模块

电池管理模块包括充电管理和放电保护功能。可以选择TP4056锂电池充电管理芯片作为充电管理单元，同时使用MOSFET和电阻分压电路实现放电保护。

6. 控制与监控

控制电路的核心是微控制器，推荐使用STM32F103C8T6，它具有丰富的外设接口和足够的处理能力，能够管理整个UPS系统的工作状态。微控制器通过ADC监测输入和输出电压、电流，及时调整LTC3789和LT8608的工作状态，同时通过UART或I2C接口与外部设备通信，实现远程监控和报警功能。

7. 整体效率与散热管理

由于LTC3789和LT8608都具有高效率的特性，因此系统整体的能量转换效率相对较高。然而，在大电流情况下，仍需考虑散热问题。可以在PCB设计中增加铜箔散热区域或使用散热片来增强散热效果。特别是LTC3789的功率MOSFET部分，建议使用散热设计优化，包括增加铜箔面积、散热孔或添加专用散热片来有效散热，保证系统在高负载下长期稳定工作。此外，适当选择低导热率封装材料，如使用具有高热导率的金属封装元件，也可以有效提高散热效果。

8. PCB设计要点

电源电路的PCB设计至关重要，尤其在高频开关电路中，需要注意电磁干扰（EMI）、电感、电容位置和走线长度的影响，以确保电源稳定、噪声小、效率高。以下是一些具体的PCB设计要点：

8.1 电源层与接地层

• 接地层设计：在PCB设计中，必须为LTC3789和LT8608的电源部分提供完整的接地层。尽可能使用大面积的接地平面，以减少电阻并提高电源模块的稳定性。

• 电源层布线：输入电源与输出电源布线要尽可能短、粗，以减少电压降和传导噪声。电源层与接地层之间应尽量减少干扰源的耦合。

8.2 电感和电容的布局

• 电感器布局：电感器应尽量靠近LTC3789和LT8608的开关节点，电感的回路应最短，以减少寄生电感引起的电压尖峰，降低EMI。

• 输入和输出电容布局：输入电容应尽可能靠近LTC3789的输入引脚，以减小输入电压的纹波；输出电容也应尽量靠近输出引脚，减少电压纹波，提高稳定性。

8.3 散热与布线优化

• 散热路径设计：PCB上为LTC3789和LT8608预留适当的散热区域，尤其是LTC3789的功率MOSFET所在区域，应当通过增加铜箔面积来提高散热效果。可以考虑在散热区域下方打通过孔，增强热传导效果。

• 开关节点优化：开关节点的布线应尽可能短，以减少EMI辐射。由于LTC3789的开关频率较高，任何不必要的长走线都会增加电磁辐射，所以开关节点的走线应严格控制。

8.4 EMI控制

• 滤波器设计：在输入和输出端可以加装EMI滤波器，如LC滤波器或π型滤波器，以降低EMI噪声。此外，可以适当增加外部屏蔽罩，避免电磁干扰对周边电子设备的影响。

• 分离敏感信号线与电源线：控制电路的敏感信号线应远离高频开关电路，避免高频开关噪声耦合进敏感信号。

9. 电池管理系统

9.1 充电管理

电池管理是UPS系统设计中的关键环节，尤其在电池供电和市电供电的切换过程中，需要有效管理电池的充放电过程。本设计中可以使用TP4056锂电池充电管理芯片，支持单节锂电池的充电控制。TP4056内置完整的充电管理电路，包括恒流、恒压充电，以及充电完成后的电池维护功能。

• 充电电流设置：可以通过调整TP4056的外部电阻，设置合适的充电电流。UPS设计中建议选择较大电流充电，以缩短电池充电时间，确保UPS在较短时间内恢复备用状态。

• 电池保护：为了延长电池寿命和提高安全性，需要增加锂电池的过充、过放、过流和短路保护功能。可以使用DW01保护芯片，它能与MOSFET配合实现完整的锂电池保护功能。

9.2 放电管理

在市电断电后，UPS需要从电池供电。电池放电时，通过LTC3789升压电路将电池电压（通常为3.7V）提升到稳定的5V或12V输出，确保负载设备正常工作。在放电过程中，必须确保电池不会过放，避免损坏电池。可以通过微控制器监测电池电压，当电池电压下降到安全阈值时，及时关闭负载或发出低电量警告。

10. 控制系统

本设计采用STM32F103C8T6作为控制核心，用于监控UPS系统的运行状态并进行管理。STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器，具有丰富的外设接口和低功耗特性，非常适合UPS控制系统的应用。

10.1 功能实现

1. 电压和电流监测：STM32通过内部ADC采集LTC3789和LT8608的输入和输出电压、电流信息，实时监控系统的电力状态。可以通过算法判断市电的断电状态，并及时切换到电池供电。

2. 电池管理：STM32还负责管理电池的充电和放电状态，监控电池电压和电流，确保电池在安全工作范围内运行。同时可以通过PWM输出控制电池的充电电流，优化充电过程。

3. 故障检测与报警：通过STM32的I/O接口，可以实现对LTC3789、LT8608等电源芯片的故障状态检测。一旦检测到电压异常、过温等情况，STM32可以触发保护措施，并通过蜂鸣器或LED指示灯报警，提醒用户UPS工作状态异常。

4. 通信与远程监控：STM32F103C8T6具有UART、I2C和SPI等接口，方便与外部设备进行通信。可以通过这些接口实现远程监控，用户可以实时查看UPS的工作状态，甚至通过网络实现远程控制。

11. 功耗优化

在UPS设计中，功耗优化是非常关键的，因为电池供电时间直接决定了系统的可靠性。为了最大限度地延长电池供电时间，以下几个方面需要特别注意：

11.1 低功耗模式

• MCU低功耗设计：STM32F103C8T6支持多种低功耗模式，如睡眠模式、停止模式等。在UPS处于待机状态时，可以让MCU进入低功耗模式，减少系统的整体能耗。

• 电源管理芯片的低静态电流：LTC3789和LT8608本身具有非常低的静态电流设计（LTC3789的静态电流为2μA，LT8608的静态电流为2.5μA），在电池供电模式下能够极大地降低能耗。

11.2 开关频率优化

LTC3789和LT8608的工作频率可调，通过选择适当的工作频率，可以在功耗和效率之间找到平衡。一般情况下，较高的开关频率能够减小外部元件的尺寸，但也会增加功耗，因此需要根据具体的设计需求进行优化。

12. 系统测试与调试

在系统设计完成后，需要对整个UPS系统进行全面的测试与调试，以确保其满足设计要求：

1. 输入电压波动测试：模拟市电电压波动或断电，测试LTC3789和LT8608是否能在各种输入电压条件下保持稳定的输出。

2. 电池供电测试：在市电断电时，测试电池是否能无缝切换并提供稳定的供电。同时需要测试电池的充放电效率及电池保护功能。

3. EMI测试：由于LTC3789和LT8608都是高频开关电源芯片，需要进行电磁兼容性测试，确保系统不会产生过多的电磁辐射。

13. 家用不间断电源设计方案

基于LTC3789和LT8608的家用不间断电源设计方案，通过LTC3789的四开关降压-升压拓扑结构，实现了稳定、高效的电源管理。LT8608则进一步提供了低功耗的降压转换功能，为系统的控制电路提供了稳定的供电。结合STM32F103C8T6微控制器实现的智能控制和电池管理系统，该设计能够应对市电波动、断电等多种场景，为家用电器提供可靠的不间断电源支持。

设计中我们还详细考虑了散热管理、EMI控制、功耗优化等问题，确保了系统的可靠性和高效性。这一设计方案适用于家庭、办公室等场景的电源保护系统，可根据实际需求进行扩展和调整，为特定应用场景提供最佳性能。通过适当的调试和优化，该系统还能够应用于更多电源保护领域，如服务器、电信设备或工业自动化系统等。

14. 系统扩展与升级

在当前设计的基础上，可以考虑进一步的扩展和升级，以满足更高的应用需求和复杂场景。

14.1 增加通信与监控功能

为了增强UPS系统的智能化水平，可以增加通信接口和远程监控功能。常见的通信接口包括：

• RS485：可以用于远程监控多个UPS系统，尤其适用于工业场景。RS485具有抗干扰能力强、通信距离长的特点，通过此接口，可以监控每个UPS的状态并进行集中管理。

• Wi-Fi或以太网模块：通过添加如ESP8266或RTL8720DN Wi-Fi模块，UPS可以接入家庭或办公网络，用户可以通过手机APP或Web页面实时查看UPS的运行状态，并能在市电中断时收到通知。若配备以太网模块如LAN8720A，则可以提供更稳定的网络连接，适合对通信可靠性要求较高的场景。

• Zigbee或LoRa：适用于更大范围的无线监控，通过低功耗无线通信技术实现远距离监控和控制。Zigbee可以在家庭自动化场景中使用，而LoRa则可以扩展到更广阔的户外场景。

14.2 增加太阳能输入支持

为了进一步增强UPS系统的可持续性，可以在设计中增加太阳能电池输入模块，实现绿色能源的使用。通过添加太阳能充电控制器，可以将太阳能作为UPS的备用电源，实现环保和节能的目的。

• MPPT太阳能充电控制器：通过采用MPPT（最大功率点追踪）算法的太阳能控制器，可以有效提高太阳能的利用效率。典型的MPPT控制器如LTC4000，它能够最大化太阳能板的输出功率，将其高效地转换为电池的充电电流。

14.3 增加扩展电池容量

UPS的续航时间取决于电池的容量，若应用场景需要更长时间的备用电源支持，可以考虑增加电池容量或增加可扩展的电池模块。使用18650锂电池组或其他高密度储能方案，能够有效延长供电时间。

• 智能电池管理：为了支持更大的电池容量，UPS需要配备更复杂的电池管理系统（BMS），如BQ76940，它能支持多个电池串的监测、平衡、充放电控制等功能，确保电池组的健康运行。

14.4 功率扩展与并联输出

如果需要为更大功率的负载设备供电，可以通过并联多个LTC3789或使用更大功率的升降压转换器来实现。并联多个LTC3789时，必须确保各路输出电流的均衡，可以通过电流共享电路实现。

• 电流共享控制器：使用如LTC4370电流共享控制器，可以确保并联的多个电源模块能够均衡地输出电流，从而避免单一模块过载或效率降低的情况。

14.5 增加多种输出电压支持

为了适应不同设备的电压需求，可以通过增加额外的降压或升压模块，提供多路输出电压。例如，为了支持同时为12V、5V和3.3V的设备供电，可以使用额外的LT8609降压转换器为5V设备供电，再通过LDO或额外的降压芯片为3.3V设备供电。

14.6 冗余设计

对于关键场景，如服务器机房或工业控制中心的UPS系统，可靠性是至关重要的。可以在设计中加入冗余结构，包括双电源输入和多路输出的冗余配置。若某一路电源或模块失效，备用电源或模块可以无缝接替工作，确保系统持续运行。

• 双输入电源切换控制器：如使用LTC4417，可以实现两个输入电源的自动切换功能，确保当主电源故障时，备份电源能够立即接管。

• 双模块冗余设计：并联两个独立的LTC3789模块或LT8608模块，当其中一个失效时，另一个模块可以继续提供电力。

15. 安全保护与认证

在设计UPS系统时，确保系统的安全性至关重要，尤其是涉及高功率和大电流的场景。以下是一些关键的安全设计要点：

15.1 电池保护

• 过充、过放、短路保护：通过锂电池保护IC如DW01，可以对电池的过充、过放和短路状态进行实时监控，确保在异常状态下，电池不会受到永久性损坏。

• 温度保护：在电池模块中加入温度传感器，通过STM32微控制器检测电池温度，当温度超过安全范围时，及时关闭充电或放电回路，保护电池安全。

15.2 电压过压、欠压保护

UPS输出电压的稳定性直接影响负载设备的正常工作，因此在设计中需要加入过压和欠压保护电路。可以通过过压、欠压检测芯片如LTC2965，监测输出电压并在电压异常时采取保护措施。

15.3 过流、过温保护

LTC3789和LT8608都具备内置的过流和过温保护机制，但在实际应用中，可以进一步加入外部的过流和过温保护电路，以提高整个系统的安全性和可靠性。

15.4 防反接与防倒灌保护

为防止用户不正确连接电源或电池而造成系统损坏，可以在电源输入和电池输入端加入防反接和防倒灌电路。常用的防反接保护电路使用MOSFET实现，可以有效保护电路元件免受误操作损坏。

15.5 安规认证

对于家用和商用的UPS设备，通常需要符合特定的安规标准，如CE、UL和FCC认证。这些认证要求系统具有电气安全性、辐射和传导干扰限制等方面的合规设计。

• 电气安全性：确保系统的电路设计满足漏电、过载、短路等安全性要求，并通过相应的安规测试。

• 电磁兼容性（EMC）：通过优化PCB设计、增加EMI滤波器等方式控制电磁干扰，确保系统的辐射和传导干扰符合国际标准。

16. 商业化与成本优化

在实现功能需求的同时，商业化生产还需要考虑成本控制。通过优化元件选型、简化电路设计和批量生产等方式，可以有效降低生产成本。

16.1 组件选型优化

在满足性能要求的前提下，选择具有性价比的组件可以显著降低成本。例如，选择更具价格优势的替代芯片或使用相对便宜的外围元件。对于电源管理芯片，可以在同类产品中进行对比，选择满足需求且价格较低的器件。

16.2 电路模块化设计

通过模块化设计，将不同的功能单元独立设计，可以提高系统的灵活性和生产效率。例如，电源管理模块、通信模块、控制模块等可以分别设计，并在不同产品之间共享通用的模块，这样可以降低设计和生产成本。

16.3 批量生产与供应链管理

批量生产可以大幅度降低元件采购和生产成本。通过与元件供应商建立长期合作关系，并提前规划元件采购量，可以获得更低的价格，减少生产周期和风险。

17. 结论

本设计基于LTC3789和LT8608的家用不间断电源方案，具备高效的降压-升压转换功能和智能控制能力，能够为家用设备提供稳定的电力支持。设计中通过采用STM32F103C8T6实现了对系统的全面监控与管理，并通过优化PCB设计和合理的元件选型，提升了系统的稳定性与可靠性。

在未来的设计优化与扩展中，可以通过增加远程监控、太阳能输入、扩展电池容量等功能，进一步提升系统的灵活性与实用性。通过结合冗余设计与安全保护机制，该UPS设计可以满足家庭、办公、工业等多种场景的电力保护需求。同时，通过成本控制与商业化生产的规划，能够实现产品的规模化应用。