基于STM32F103的单相在线式不间断电源（UPS）设计方案

单相在线式不间断电源（UPS）是现代电子设备不可或缺的电力保障系统，它能在市电中断或异常时，为负载提供稳定、纯净的交流电源，确保设备连续不间断运行。相较于后备式和互动式UPS，在线式UPS具有最高的供电质量，其逆变器始终处于工作状态，隔离了市电的波动和噪声，为负载提供了真正的“零中断”保护。本设计方案将详细探讨如何利用意法半导体（STMicroelectronics）的STM32F103系列微控制器作为核心控制器，实现一个高性能、高可靠性的单相在线式UPS系统。我们将深入剖析系统的各个关键模块，并优选具体的元器件型号，解释其功能、选型理由及其在系统中的作用。

1. 单相在线式UPS系统概述与工作原理

在线式UPS系统的核心特点是“双变换”：市电首先经过整流器转换为直流电，为电池充电并同时为逆变器提供直流母线电压；然后，逆变器将此直流电逆变为纯净的正弦交流电，供负载使用。即使市电正常，负载也是由逆变器供电。当市电异常或中断时，整流器停止工作，电池立即通过直流母线向逆变器供电，实现无缝切换。当逆变器发生故障或过载时，系统将通过静态旁路开关切换到市电旁路供电，以保护负载。

主要工作模式：

• 正常工作模式（市电模式）： 市电经过整流器转换为直流电，一部分为电池充电，另一部分直接送入逆变器，逆变器将直流电逆变为稳定的交流电输出给负载。

• 电池模式： 当市电中断或超出设定范围时，整流器停止工作，电池组通过升压或降压电路（取决于电池电压与直流母线电压关系）向逆变器供电，逆变器继续输出交流电。此过程无中断时间。

• 旁路模式： 当逆变器发生故障、过载、过温或进行维护时，静态旁路开关将负载直接切换到市电供电，确保负载持续运行。旁路供电通常是不经过逆变器处理的市电，其质量不如逆变器输出。

• 维护旁路模式： 用于UPS系统进行维护或检修时，通过手动旁路开关将负载直接接到市电，完全隔离UPS设备。

2. STM32F103微控制器选型与优势

2.1 STM32F103C8T6：核心控制器

型号优选： STM32F103C8T6

选择理由： STM32F103C8T6是意法半导体STM32F1系列中一款性价比极高、功能完善的微控制器，非常适合中小型嵌入式控制系统，如本UPS设计。其主要优势在于：

• 高性能ARM Cortex-M3内核： 72MHz的主频足以处理复杂的PWM调制、AD采样、PID控制算法以及通信任务，满足UPS系统实时性要求。Cortex-M3架构提供了优异的代码密度和调试能力。

• 丰富的外设： 拥有多个定时器（包括高级控制定时器TIM1，非常适合生成互补PWM波形）、多个12位ADC（用于采集电压、电流、温度等模拟信号）、多种通信接口（USART、SPI、I2C），这些都是UPS系统必不可少的外设资源。

• 充足的存储空间： 64KB Flash和20KB SRAM，对于存储UPS的控制程序、参数和少量数据来说是足够的。

• 多达37个GPIO： 提供足够的IO口用于驱动MOSFET/IGBT栅极、控制继电器、读取按键、驱动LCD显示等。

• 低功耗与灵活的时钟系统： 有助于实现更节能的设计。

• 成熟的开发生态系统： ST公司提供HAL库、LL库以及CubeMX配置工具，配合Keil MDK或IAR Embedded Workbench等IDE，开发效率高，资料丰富。

• 成本效益： 相较于更高性能的MCU，STM32F103C8T6的成本更低，有助于降低整体BOM成本。

功能： 作为整个UPS系统的“大脑”，STM32F103C8T6负责：

• PWM波形生成： 通过高级控制定时器TIM1生成SPWM（正弦脉宽调制）波形，驱动逆变器桥臂的功率器件，实现DC/AC逆变。

• 模拟信号采集： 通过多个ADC通道实时采集市电电压、输出电压、电池电压、逆变器输出电流、电池充放电电流、直流母线电压、温度等关键参数。

• 数字PID控制： 根据采集的电压、电流反馈，运行PID算法，精确调节PWM占空比，实现输出电压的稳压和波形整形。

• 状态监测与故障保护： 监测过压、欠压、过流、过载、短路、过温等异常情况，并触发相应的保护机制（如关断逆变器、切换旁路、发出警报等）。

• 通信管理： 通过USART或USB（如果配置）与上位机通信，实现远程监控和参数设置。

• 系统协调与模式切换： 根据市电状态、电池电量和负载情况，智能切换UPS的工作模式（市电模式、电池模式、旁路模式）。

• 人机交互： 控制LCD/LED显示屏，显示UPS状态、参数；处理按键输入。

3. UPS系统核心模块与优选元器件

3.1 输入整流与PFC模块

该模块将市电交流电转换为直流电，并为后续的逆变器提供稳定的直流母线电压。对于在线式UPS，为了提高输入功率因数并降低谐波污染，通常会采用有源功率因数校正（APFC）技术。

3.1.1 整流桥

型号优选： GBJ2510

选择理由： GBJ2510是一款25A/1000V的单相整流桥，具有较高的电流和电压裕度，能够应对较大的输入功率和可能的电压瞬变。其TO-263封装（或TO-220）有助于良好的散热。

功能： 将交流市电转换为脉动直流。

3.1.2 APFC控制器

型号优选： UC3854B 或 FAN7529

选择理由：

• UC3854B (Texas Instruments): 经典的连续导通模式（CRM）或不连续导通模式（DCM）APFC控制器，性能稳定，应用广泛。具有电压前馈、过流保护等功能。

• FAN7529 (ON Semiconductor): 另一种常用的临界导通模式（CRM）APFC控制器，以其高效率和低成本而闻名。

功能： 控制升压型DC-DC变换器，使其输入电流波形与输入电压波形同相，从而提高输入功率因数，减少电网谐波污染。它通过检测输入电压和电流，并控制功率MOSFET的开关，实现DC母线电压的稳定。

3.1.3 APFC功率开关管（MOSFET）

型号优选： IPA60R190C6 (Infineon) 或 STW35N60DM2 (STMicroelectronics)

选择理由：

• IPA60R190C6 (Infineon): 600V/190mΩ的CoolMOS™功率MOSFET，具有极低的导通电阻和栅极电荷，能够显著降低开关损耗和导通损耗，提高APFC效率。

• STW35N60DM2 (STMicroelectronics): 600V/190mΩ的MDmesh™DM2系列，具有快速恢复二极管和超低栅极电荷，同样非常适合高频开关应用。

功能： 在APFC控制器驱动下，作为高速开关元件，与电感、二极管和电容构成升压型斩波电路，实现功率因数校正和DC母线电压升压。

3.1.4 APFC输出二极管

型号优选： SCS110AGC (ROHM) 或 IDW40G65C5 (Infineon)

选择理由：

• SCS110AGC (ROHM): 650V/10A的碳化硅（SiC）肖特基势垒二极管（SBD），具有极低的恢复电荷（Qrr）和超快的开关速度，在高频APFC应用中能大幅降低反向恢复损耗，提高效率并降低EMI。

• IDW40G65C5 (Infineon): 650V/40A的SiC二极管，在更高功率APFC中表现更优。

功能： 作为升压电路的续流二极管，实现电流的单向导通。SiC二极管的超快恢复特性对于高频APFC至关重要。

3.1.5 APFC电感

选择理由： 铁硅铝磁环电感或高磁通磁环电感，根据APFC拓扑和功率计算其电感量和饱和电流。需要选择低损耗、高饱和电流、耐高温的电感。

功能： 储存能量，并在APFC开关管关闭时将能量释放到输出电容，实现升压和功率因数校正。

3.1.6 直流母线电容

型号优选： Kemet ALS30系列 或 Nichicon GU系列 （电解电容）

选择理由： 选用高纹波电流能力、长寿命、高可靠性的电解电容。根据功率等级，可能需要多个并联。

功能： 稳定APFC输出的直流电压，为逆变器提供稳定的直流母线电压，并吸收逆变器侧的开关纹波。

3.2 电池管理与充电模块

该模块负责电池的充放电管理、电压监测和保护。

3.2.1 电池充电控制器

型号优选： UC3906 (Texas Instruments) 或 MP2617 (Monolithic Power Systems)

选择理由：

• UC3906: 专用的铅酸电池充电控制器，支持恒流/恒压充电模式，可实现精确的充电管理。

• MP2617: 一款高度集成的锂离子电池充电器IC，如果采用锂电池，则需要选择此类控制器，支持多种电池类型，具有完善的保护功能。

功能： 根据电池类型和状态，控制充电电流和电压，实现对电池的安全、高效充电。通常支持浮充、均充等模式。

3.2.2 充电MOSFET

型号优选： IRF3205 (Infineon) 或 NCEP01N10 (NCE Power)

选择理由： 低导通电阻的功率MOSFET，用于控制充电电流。

功能： 在充电控制器驱动下，控制充电电路的通断，调节充电电流。

3.2.3 电池组

型号优选： 铅酸蓄电池（如：松下、汤浅） 或 磷酸铁锂电池组（LiFePO4）

选择理由：

• 铅酸蓄电池： 成熟技术，成本较低，但能量密度相对较低，循环寿命短。适合对成本敏感的入门级UPS。

• 磷酸铁锂电池组： 能量密度高，循环寿命长（2000+次），内阻低，充放电效率高，安全性好。是未来UPS电池的发展趋势，但成本较高。需要配备BMS（电池管理系统）。

功能： 在市电故障时，为逆变器提供能量。

3.2.4 电池管理系统（BMS）

型号优选： 如果使用锂电池，必须集成BMS。TI BQ系列（如BQ76940） 或 Analog Devices LTC68XX系列

选择理由：

• TI BQ系列： 针对多串电池组的保护和管理，提供电压、电流、温度监测，均衡功能等。

• Analog Devices LTC68XX系列： 高精度电池组监控器，适用于高性能BMS设计。

功能： 监测电池组中每个单体电池的电压、总电压、总电流、温度，进行过充、过放、过流、过温保护，并实现电池均衡，延长电池寿命和确保安全。

3.3 DC-DC升压模块（可选，取决于电池电压与逆变器直流母线电压关系）

如果电池组电压低于逆变器所需的直流母线电压，则需要一个DC-DC升压模块。

3.3.1 升压控制器

型号优选： LM5122 (Texas Instruments) 或 LT8390 (Analog Devices)

选择理由： 专用的同步升压控制器，效率高，控制精度好。

功能： 将电池电压提升到逆变器所需的直流母线电压。

3.3.2 升压MOSFET

型号优选： IRF1404 (Infineon) 或 CSD18534KCS (Texas Instruments)

选择理由： 低导通电阻、高电流能力的MOSFET，适用于低压大电流的升压应用。

功能： 作为升压电路的开关管。

3.4 全桥逆变器模块

这是在线式UPS的核心，负责将直流电逆变为纯净的正弦交流电。

3.4.1 逆变器功率模块（IGBT/MOSFET模块）

型号优选：

• IGBT模块： Fuji Electric 1MBI系列 或 Infineon FSBB系列 (CIPOS™ Mini)

• 选择理由： 对于中高功率UPS（500VA以上），IGBT模块是优选，其具有更高的耐压和电流能力，以及更好的短路承受能力。集成模块（如CIPOS™ Mini）内部集成了栅极驱动、保护电路，简化了设计。

• MOSFET模块： IRAM系列 (Infineon) 或 IPM系列 (STMicroelectronics)

• 选择理由： 对于低功率（几百VA）UPS，可以使用高压MOSFET模块，效率较高，开关频率可以更高。

功能： 构成H桥，在STM32F103的SPWM信号驱动下，将直流母线电压逆变为高频方波，再通过滤波形成正弦波。IGBT或MOSFET是实现这一转换的功率开关。

3.4.2 栅极驱动器

型号优选： IR2110 (Infineon) 或 UCC27211 (Texas Instruments)

选择理由：

• IR2110: 经典的自举式高低侧栅极驱动器，驱动能力强，带有死区时间控制，广泛应用于半桥和全桥逆变器。

• UCC27211: 更高性能的自举驱动器，具有更快的上升/下降时间，更低的传播延迟，适用于更高开关频率的逆变器。

功能： 提供强大的电流驱动能力，快速充放电功率器件（IGBT/MOSFET）的栅极电容，确保功率器件快速可靠地开关，减少开关损耗。同时，提供必要的死区时间，防止上下桥臂直通。

3.4.3 LC低通滤波器

选择理由： 根据输出功率、开关频率、允许的纹波率计算电感（L）和电容（C）值。电感选择铁粉芯或非晶磁环电感，要求低损耗、高饱和电流；电容选择MKP或CBB系列薄膜电容，要求低ESR、高纹波电流能力。

功能： 滤除逆变器输出的高频PWM载波成分，得到纯净的正弦交流波形。

3.5 静态旁路与输出切换模块

该模块在逆变器故障或过载时，将负载无缝切换到市电旁路供电。

3.5.1 静态开关（SCR或TRIAC）

型号优选： BT151系列 (NXP/WeEn Semiconductors) （SCR） 或 BTA41-600B (STMicroelectronics) （TRIAC）

选择理由：

• SCR（可控硅）： 单向导通，需要两个反并联构成交流开关，具有较高的耐压和电流能力，响应速度快，适合作为静态旁路开关。

• TRIAC（双向可控硅）： 双向导通，一个元件即可实现交流开关功能，但通常其电流和耐压能力略低于同等封装的SCR。

功能： 在STM32F103的控制下，实现负载在逆变器输出和市电旁路之间的快速、无缝切换。当逆变器出现故障或过载时，通过触发静态开关，将负载切换到市电旁路。

3.5.2 旁路继电器（或接触器）

型号优选： 继电器（如：欧姆龙G2R系列） 或 交流接触器（如：施耐德LC1D系列）

选择理由： 用于在长期旁路或维护旁路模式下，提供一个可靠的隔离通路，并可作为静态开关的辅助或冗余。

功能： 提供一个物理的隔离通道，在特定工作模式下直接连接市电到负载，或在UPS故障时作为备份旁路。

3.6 采样与隔离模块

为了确保控制电路的安全和精确性，需要对高压、大电流信号进行隔离和采样。

3.6.1 电压采样电路（分压电阻网络+光耦/线性光耦/隔离运放）

型号优选：

• 分压电阻： 选用高精度、低温漂的金属膜电阻。

• 隔离运放： AMC1200 (Texas Instruments) 或 AD210 (Analog Devices)

• 选择理由： 具有高共模抑制比和高隔离电压，能精确传输高压侧信号到低压侧MCU。

• 线性光耦： HCNR200 (Broadcom)

• 选择理由： 提供模拟信号的线性隔离传输。

功能： 将高电压（如市电电压、逆变器输出电压、直流母线电压）按比例衰减，并进行电气隔离，再送入STM32F103的ADC进行采集。隔离是确保MCU安全和可靠运行的关键。

3.6.2 电流采样电路（霍尔电流传感器/采样电阻+隔离运放）

型号优选：

• 霍尔电流传感器： LEM LAH系列 或 Allegro ACS712/ACS758系列

• 选择理由： LEM传感器精度高，响应快，但成本较高；Allegro传感器集成度高，成本低，适合中小功率。都提供电流隔离。

• 采样电阻+隔离运放： 精密大功率采样电阻（如：Vishay WSL系列）配合隔离运放。

功能： 实时监测输入电流、输出电流、电池充放电电流等。霍尔传感器提供电流隔离，避免高电流回路直接连接到MCU。采样电阻方案需要额外的隔离措施。

3.6.3 温度传感器

型号优选： NTC热敏电阻 或 LM35 (Texas Instruments)

选择理由：

• NTC热敏电阻： 成本低，响应速度快，但需要查表法或拟合公式进行温度转换。

• LM35： 线性输出，直接以mV/℃输出，使用方便。

功能： 监测IGBT/MOSFET、变压器、电池等关键部件的温度，防止过热。

3.7 辅助电源模块

为STM32F103、栅极驱动器、传感器、LCD等提供稳定、隔离的低压直流电源。

3.7.1 隔离DC-DC电源模块

型号优选： MORNSUN B0505XT-1WR2 (5V转5V隔离) 或 Traco Power TMR系列

选择理由： 提供各个模块所需的低压直流电源，并确保不同电位地之间的隔离，避免干扰和损坏。

功能： 从主电源（如直流母线电压或电池电压）降压并隔离，为控制电路和辅助电路供电。

3.8 人机交互与通信模块

3.8.1 LCD显示屏

型号优选： 1602 LCD模块 或 12864带背光LCD模块

选择理由： 成本低廉，易于驱动，足以显示UPS的工作状态、输入/输出参数、电池电量等信息。12864图形LCD可以显示更丰富的信息和图形界面。

功能： 显示UPS的实时运行状态、告警信息、输入输出电压/电流、电池电量等。

3.8.2 按键模块

型号优选： 普通轻触按键

功能： 实现用户对UPS的控制操作，如开/关机、模式切换、参数设置等。

3.8.3 串口通信模块（可选）

型号优选： CH340 (USB转串口) 或 SP3232 (RS232电平转换)

选择理由： 如果需要与上位机进行通信，实现远程监控或数据记录。

功能： 实现UPS与外部PC或其他设备的通信，通常用于远程监控、数据记录、故障诊断和固件升级。

4. 控制策略与软件实现

STM32F103的软件是UPS系统实现各项功能的核心，其复杂性在于对多个模拟信号的实时采集、复杂的数字控制算法以及多模式切换的逻辑处理。

4.1 SPWM控制算法

实现方法： 利用STM32F103的TIM1高级控制定时器，通过配置其通道为PWM模式，并启用互补输出和死区时间插入功能。软件中通过查表法或实时计算正弦值，更新PWM的占空比，从而生成正弦脉宽调制波形。

关键考量：

• 载波频率： 通常选择10kHz到20kHz之间，频率越高，输出波形越平滑，但开关损耗越大。

• 调制比： 决定输出电压有效值。

• 死区时间： 必须设置，以防止上下桥臂直通，保护功率器件。死区时间的选择需要在效率和波形失真之间进行权衡。

• 反馈控制： 结合输出电压的AD采样值，通过PID或其他先进控制算法（如滞环控制、重复控制等）实时调整SPWM波形，确保输出电压稳定、波形纯净、失真度低。

4.2 PID控制算法

实现方法： 对输出电压、输出电流进行实时采样，与设定值进行比较，得到误差。将误差输入到数字PID控制器中，计算出修正量，用于调整SPWM的调制比。

Pout(t)=Kpe(t)+Ki∫e(t)dt+Kddtde(t)

其中，$e(t)$是误差，Kp, Ki, Kd是比例、积分、微分系数。

关键考量：

• 参数整定： PID参数的精确整定至关重要，直接影响UPS的动态响应速度、稳态精度和稳定性。常用的整定方法有Ziegler-Nichols法、临界比例度法等。

• 抗积分饱和： 在系统大幅度偏离设定值时，积分项可能无限增大导致饱和，需要引入抗积分饱和策略。

• 微分项噪声抑制： 微分项对噪声敏感，可能需要加入低通滤波器。

4.3 交流参数采样与计算

实现方法：

• 电压/电流有效值（RMS）计算： 通过ADC对交流电压和电流波形进行连续采样，在一个或多个周期内进行平方、求和、平均、开方运算，得到有效值。VRMS=N1∑i=0N−1Vi2其中，N为一个周期的采样点数，Vi为第i个采样值。

• 过零检测： 利用比较器或ADC中断，精确检测市电或输出电压的过零点，用于同步旁路切换、频率测量和SPWM相位同步。

• 频率测量： 通过检测过零点之间的时间间隔来计算频率。

4.4 故障检测与保护逻辑

实现方法：

• 欠压/过压保护： 设定市电、电池、输出电压的上下限阈值，超出范围时触发报警或切换。

• 过流/短路保护： 实时监测输出电流，当超过设定值时，立即关断逆变器并切换到旁路，同时发出告警。

• 过载保护： 监测输出功率，当负载持续超过额定功率时，触发报警或切换到旁路。

• 过温保护： 监测关键元器件（如IGBT/MOSFET、变压器）的温度，超温时降载或关机。

• 电池过充/过放保护： 监测电池电压，确保电池安全。

• 软件看门狗与硬件看门狗： 防止程序死循环。

4.5 模式切换逻辑

实现方法： 根据市电状态（电压、频率是否正常）、电池电量、逆变器工作状态、负载情况等，编写复杂的决策逻辑，实现UPS在不同工作模式间的平滑切换。例如：

• 市电断开： 立即从市电模式切换到电池模式。

• 市电恢复： 延时一段时间（通常为稳定市电质量）后，从电池模式切换回市电模式，同时启动充电。

• 逆变器故障/过载： 立即切换到旁路模式。

• 电池低电量： 强制关机或切换到旁路（如果市电正常）。

4.6 软件模块化设计

建议： 将软件分为多个独立的模块，如：

• ADC采样模块： 负责所有模拟量的采集和初步处理。

• PWM控制模块： 负责SPWM波形的生成和控制。

• PID控制模块： 实现闭环控制算法。

• 保护与告警模块： 故障检测和告警处理。

• 电池管理模块： 电池状态监测和充电控制。

• 模式切换模块： 状态机管理。

• 人机交互模块： LCD显示和按键处理。

• 通信模块： 外部通信。

这种模块化设计有助于提高代码的可读性、可维护性和可重用性。

5. PCB设计与散热考虑

5.1 PCB设计原则

• 功率回路与控制回路分离： 功率回路应走线粗短，减少寄生电感和电阻；控制回路应远离功率回路，减少干扰。

• 地线规划： 采用星形接地或大面积铺地，减少共地阻抗耦合。模拟地和数字地要分离，并在单点连接。

• 信号完整性： 关键信号线（如PWM驱动线、ADC采样线）应尽量短，避免交叉，并进行包地处理，减少噪声。

• EMC/EMI： 布局时考虑滤波电容、共模电感的位置，合理规划信号回流路径，减少辐射和传导干扰。

• 热设计： 散热面积大的元器件（功率器件、大功率电阻）应放置在散热器附近，并保持足够间距。

5.2 散热设计

• 散热器选择： 根据功率器件的发热量选择合适的散热器，通常使用铝型材散热器。

• 热界面材料： 功率器件与散热器之间涂抹导热硅脂或使用导热垫片，提高热传导效率。

• 风扇强制风冷： 对于中高功率UPS，需要配置温控风扇，根据温度传感器反馈自动调节转速，实现高效散热并降低噪声。

• PCB铜箔散热： 对于中小功率器件，可以通过加大PCB铜箔面积来辅助散热。

6. 总结与展望

基于STM32F103的单相在线式UPS设计方案，能够实现高性能、高可靠性的电力保障。STM32F103强大的处理能力和丰富的外设，使其成为UPS核心控制器的理想选择。通过精心的硬件选型和软件算法设计，可以构建一个功能完善、性能优异的UPS系统。

未来可扩展性与改进方向：

• 更高性能的MCU： 对于更高功率、更复杂功能（如并联冗余、更多通信接口）的UPS，可以升级到STM32F4/F7系列，以获取更高的主频、更多的Flash/SRAM、浮点运算单元（FPU）以及更高级的外设。

• 先进控制算法： 引入更复杂的逆变器控制算法，如重复控制、PR（比例谐振）控制等，进一步提高输出波形质量和动态响应。

• 通信与物联网： 增加以太网、Wi-Fi、LoRa等通信模块，实现远程监控、云端管理和智能故障诊断。

• 图形化人机界面： 使用TFT彩色液晶屏，提供更友好的用户交互界面。

• 模块化设计： 将APFC、逆变器、充电等模块设计为独立的子板，方便生产和维护。

• 效率优化： 深入研究LLC谐振变换器、交错并联技术等，进一步提高系统效率。

通过上述详细的分析和元器件选型建议，相信您已经对基于STM32F103的单相在线式UPS设计有了全面的理解。这是一个复杂但充满挑战的项目，需要电力电子、嵌入式软件和系统集成等多方面的知识。在实际开发过程中，充分的理论分析、仿真验证、以及严格的测试是确保项目成功的关键。