UPS电源中电流电压传感器的应用

UPS为Uninterruptible Power Supply首字母缩写。中文全称为不间断电源，它是一种内部含有储能装置（通常是蓄电池），以逆变器为主要组成部分，能为负载提供持续、稳定、不受任何外部电源的中断干扰的电力电子设备。一般分在线式和后备式，在银行、数据中心，电信、国防等领域有重要的应用价值。

UPS的核心价值在于预防和解决电网中存在的各种显性、隐性电力问题，确保连接到其上的关键设备（如服务器、网络设备、医疗仪器、工业控制系统等）永不掉电，并能获得高质量的电能。

主要预防、解决的电力问题包括：

完全断电：各种原因的电网彻底中断，失去了电力来源；

1. 电压骤降/骤升：电压瞬间大幅降低或升高，这很可能导致设备重启或损坏；

2. 电压浪涌：电压瞬间且短时高峰，这可能损坏设备，或者导致设备异常动作；

3. 频率波动：电网频率不稳定；

4. 谐波失真：电流/电压波形畸变，这些畸变的谐波会引起设备温升异常，从而进一步影响设备效率和使用寿命；

5. 电噪声：架空输电线路上因为种种原因带来的电噪声会迭加到电源上，引发高频干扰，最后传导到后端电子设备的CPU /GPU/DSP/FPGA等逻辑器件，这些器件对噪音很敏感，容忍度低，干扰会引发程序混乱，数据错误，使得所有的计算结果都不可信。

UPS电源的主要类型：

根据工作原理和性能，UPS主要分为以下三类：

后备式UPS：
· 工作原理：正常情况下，市电直接通过旁路为设备供电，同时为电池浮充。当市电异常时，切换为电池逆变供电。这种拓谱存在数毫秒的切换时间，优秀的电路，可以保证到2ms的切换时间；

· 特点：结构简单、成本低、效率高，但输出电源质量一般。适用于个人电脑、普通外设等对电力要求不高的场景.

在线互动式UPS：
· 工作原理：比后备式多了一个自动稳压器（AVR），能自动调节输入电压，减少电池使用次数。切换时间比后备式更短。

·特点：具备一定的稳压功能，保护能力更强。常用于网络设备、小型服务器等。

双变换在线式UPS：
· 工作原理：市电进入设备后，先被整流滤波电路转换为直流电，这个直流电同时用于给电池充电和传送给逆变器，逆变器再将直流电转换为纯净、稳定的交流电输出。双变换在线式UPS的优点是，无论市电是否正常，负载始终由自身的逆变器供电，实现了“零切换时间”。

· 特点：提供最高级别的保护，能获得很稳定输出电源，是数据中心、关键医疗和工业设备等的主流选择。

UPS电源中电流电压传感器的应用

电流与电压传感器是系统的“感官神经”
在现代化的UPS电源系统中，电流和电压传感器扮演着至关重要的角色，是系统的“感官神经”。它们如同人类的“眼睛”和“耳朵”，实时、准确地监测着电压波动、电流流动的每一个细节，是保障UPS高效、安全、可靠运行的核心元件。

一、 应用位置与核心功能
根据产品的定位和设计者的需求，电流和电压传感器被布置在UPS的如下几个关键节点上：

1.总电源输入端监测：
功能：实时监测市电电源输入的电压和电流值。

作用：

· 判断市电状态：检测市电是否存在、电压的波动是否在允许范围内，这是决定后备式UPS是否需要进行电池逆变供电的首要依据；

· 浪涌与故障保护：检测到输入浪涌或过大电流时，触发保护电路，防止损坏内部元件；

· 计算输入功率：为系统效率计算和负载管理提供数据。

在输入端，通常可以选择国产的电压传感器用于检测市电电压输入，该器件放置在电源滤波器(如果有的话)的后端。紧跟着电压传感器后面，同样可以选择国产化的电流传感器，用于检测总输入电流。这两个器件的输出信号，直接连到MCU/CPU/GPU/DSP/FPGA…，用于进行A/D转换。最后计算出总输入功率。

当然，出于采购便利的考虑，电压传感器也可以选用其它品牌的。该款器件，兼容很多其他厂家的产品；

相比较于上面提到的电压传感器器件，这款器件自身及其外围的检测电阻，功耗要高出数倍，带来了更高的发热量。

2.设备输出端监测：
功能：实时监测逆变器输出给负载的电压和电流；

作用：
稳压控制：将输出电压反馈给控制芯片，通过闭环控制算法（如PID），实时调整逆变器的PWM控制，确保输出电压稳定在220V/50Hz，无论负载如何变化。这是保证输出电源质量的关键。

过载与短路保护：持续监测输出电流，一旦超过设定阈值，立即触发告警或切换至旁路，保护逆变器的功率器件不被烧毁。

负载率计算：实时显示当前负载占UPS容量的百分比，为用户扩容和维护提供数据依据。

此处，同电源输入一样，选用相同的电流电压传感器即可。另外，因工频50Hz的一个周期是20ms，属于慢速器件，所以，对于器件的响应时间，没有严格的限制，响应时间是1μs还是5μs，对于后端的数据处理影响甚微；

3.电池监测：
功能：监测电池组的充、放电电流与电压。

作用：
智能充放电管理：精确控制充电电流（恒流/恒压充电），避免过充而缩短电池寿命。放电时，根据电流和电压精确计算剩余电量（SOC）和后备时间。

电池健康诊断：通过监测充放电过程中的电压电流变化，可以判断电池老化程度和内阻变化，提前预警电池故障。

UPS电源里通常是12/24V或者是48V的电池组，对电池电压的精确管控，专用IC会更合适，例如G3JY专用IC等。这里不可不提的是如何对电池电流的检测。此处，建议是选择从电池引一个合适尺寸的电缆线，穿过霍尔电流传感器的方式，而不要是焊接在PCB板上的方式。甚至是电池的输出电流只有20A也可以考虑此方法。长时间的大电流走PCB的铜箔，不是一个好的方法。

此处可以考虑AR8V 63A/100A档的器件，该器件，焊接PCB板固定，中心的穿孔用于原边电流输入。该器件在做了校零处理后，器件的精度，相对误差可以到0.3%左右；

二、 电压电流传感器对系统性能的提升
1.高精度与高可靠性：

霍尔电流、电压传感器具有线性度高、低温漂和快速响应时间（<1μs），确保了监测数据的准确性，使得UPS的控制和保护动作更加及时和精确。

2.电气隔离：
传感器实现了主回路（强电）与控制回路（弱电）之间的电气隔离，保证了控制系统的安全，抗干扰能力强。

3.智能化与数字化：
传感器输出的模拟或数字信号实时的直接送入微处理器（MCU/DSP），使得UPS的主控芯片能够实现复杂的算法控制，这就实现了故障预测、数据记录和网络通信等智能化功能。

结论
可以认为，没有电流和电压传感器，UPS就只是一个“盲目的”电源转换设备。正是通过这些无处不在的传感器，UPS系统才能实时感知内外部电能的细微变化，并做出智能决策，从而忠实地履行其“不间断供电”和“电源净化”的使命，成为关键设备赖以信任的电力守护神。随着物联网和人工智能技术的发展，这些传感器数据将进一步赋能UPS，使其向着提高预测性维护、更高效节能的智慧能源管理系统演进。