为什么要做一个 在线式 UPS 的 开关电源

研发历程和一些设计思路

DIY 作品和量产产品最大的区别就是，量产考虑的成本问题和 DIY 考虑的成本问题，很多时候并没有可比性。

例如量产的时候，考虑会最大化的利用好磁芯的能力。而 DIY 的时候，考虑的是能否使用现有的变压器。

因为变压器打样100元起步。如果能使用现成的磁芯，哪怕超规格了也比打样一个完全合适的磁芯更便宜。

量产的时候，要追求极限参数吃尽器件冗余，而 DIY 的时候，反而选择“基础库里的电容”都比选择便宜1毛钱的电容更划算。

因此，在设计的时候，我会无脑选择 基础库。只有当用到扩展库的时候，才会考虑仔细的计算参数，以免浪费元件的性能。

因此在设计阶段，我第一件事情不是去规划电路设计，而是先考虑购买合适的现货的开关外壳和反激变压器。当我找寻很久后，最终确定了一个合适的外壳，然后根据这个外壳，就定死了 PCB 的大小。原计划是把 pcb 设计为 10x10以内，但是找不到合适的外壳。而 7x4 大小有合适的外壳，但是太小了，实在做不到。

所以最后退而求其次的选择了 130x98 的外壳。有了外壳后，就整体的限制了 高度。 所以所有的元件都要低于 30cm 高。

因此原以为可以使用的 PQ3230 变压器，也退而求其次选择了 PQ2620 的变压器。PQ2620 为啥不是我最中意的变压器规格呢？因为 PQ2620 属于略微超纲才能支持 12V5A 功率。

之所以在 PQ3230 和 PQ2620 之间做了抉择，是因为这两个都能买到 12V 的现货变压器。也就是不需要打样定制。也不需要自己绕制。不过对于希望自己绕之变压器的人，附件里我也提供了一份我自己研究出来的 反激变压器快速设计器 。可以依据这个快速的设计变压器。

下面是购买的变压器截图，复刻的话可以根据这个买到心仪的变压器。

在等待变压器和外壳到货前，就着手开始原理图的绘制了。

电路的原理我在原理图里加了很多注释，相信应该讲的非常明白了。

关于次级同步整流。原理图上会说是 5A 电流较大，所以使用同步整流。其实不是很对。因为100V耐压的肖特基的压降 0.6V， 过 5A 电流也只相当于 3W 的发热。

其实主要原因还是因为，我想这样的一个设计，可以用在更大电流的地方。比如 5V 10A 的场合。如此就只需要更换整流 MOS 管即可。与其等将来某天用到的时候再学习同步整流，不如现在就用上同步整流。5A 也正好是同步整流和肖特基整流的一个分界点。因为计算发热的时候是按 5A@0.6V 计算，但是，实际上这个是临界导通模式工作，因此峰值电流会超过 15A。所以实际上需要 100V20A 的肖特基进行整流。并不比同步整流便宜到哪里去了。

关于PFC。由于设计功率低于 70W，再加上是 DIY 项目，没有 CCC 认证的需求，因此省略了 PFC 电路。虽然实际上我很想加 PFC ，但是考虑到没做过 PFC ，有翻车的风险。这可是比赛项目，翻车了糟糕了。所以等以后我再做非星火计划的 V2 版本（大概率会是 48V3A ）的时候加 PFC 。

关于防浪涌。60W 的电源，其实整流后使用 100uF 的电容滤波就可以了。但是我为了稳妥起见，用了2个 100uF 的电容。这样滤波电容就到了200uF了。200uF 的电容，上电浪涌就很大了，需要进行抑制。通常 60W 的电源会使用 NTC 电阻进行上电防浪涌。但是我主要考虑到，这个设计是要“向上兼容”。也就是同一份原理要能向上兼容更大的功率。而更大功率的开关电源，都得使用继电器+电阻的方式。所以，我也使用了继电器方案。对于 DIY 项目来说，最大的成本是打样费用（工程费，换料费）而不是元件费用，因此多几个元件的设计并不增加多少 打样成本 :) 反而可以让你的设计向上兼容，将来做更大的功率也有经验了。最初我让继电器的线圈使用 12V 输出的电吸合。但是画完板子复盘的时候，突然发现，如果市电停电了，岂不是继电器还在靠电池在吸合。因此，直接改成由辅助绕组供电继电器。不过随之带来一个辅助绕组的功耗增大的问题。而且辅助绕组电压是会随着负载剧烈变化的。

关于电压和电流调整。最初的设想中，我使用的是单片机 DAC 产生模拟电压然后注入 TL431 的1脚的方式来控制输出电压这样的方案。

tl431 看到的反馈电压，是 输出电压经过分压电阻分压后的电压和 DAC 的输出电压的叠加。

但是这套方案被我很快否决了。因为这意味着 单片机要先于 pwm 控制器启动。否则输出电压可就成了未定义行为了。

单片机要先于 pwm 控制器启动，意味着我需要一套独立的辅助电源。这样就需要2个变压器，2个反激控制器了。翻车的风险是非常大的。

于是，就改成了目前这样的。由可调电阻设定电压和电流。单片机+屏幕只是作为一个显示作用的存在，并不参与电源的控制。

可能电压的调整用户会觉得有个万用表也可以。砍掉屏幕可以降低成本。但是电流的调整，如果使用万用表，就需要先接上电池，然后调节旋钮直到充电电流达到预期。而有了这个屏幕，就可以不接电池的情况下就直接通过旋钮设定电流。因此，屏幕和单片机其实是有必要的，不是可选项。

成品照片欣赏

嘉立创刚刚寄过来时的背面，贴的非常好。

正面都是插件。除了变压器，剩下的都插上了。

焊上变压器后，装到外壳里，严丝合缝。

接下来是封面的图片，装了一个电池，并且固件已刷入一个初版。

屏幕显示在放电中

最后是装在外壳里，工作中的照片：

固件代码

以往我的硬件开源项目只提供编译好的固件，并不开放固件的源码。这次我把固件的源码也一并开源。

固件的源码放在 github 上托管 https://github.com/microcai/upsflyback

附件里也会上传一份编译好的固件。

固件的下载方式是使用 STLink/DAP-Link , 用探针夹夹住编程口刷入。如果使用 PYLink 编程器则可以使用 普冉 的官方 刷机工具。如果是使用 DAP-Link 则需要使用 pyocd 或者 openocd ，或者是下载源码后使用 IDE 刷入。推荐使用 vscode + PlatformIO 插件。

安装好 PlatformIO 插件后，打开工程，然后选择 Upload 命令即可。

使用

接口从左到右分别是  地线，火线，零线 ， 输出正，输出负，XT30电池插头，屏幕，待机按钮，电流调节旋钮，电压调节旋钮。

其中待机按钮在屏幕下方。在电池供电的时候，为了节约电池，默认会息屏休眠。按下按钮唤醒。

市电供电的时候，屏幕会常亮。按下按钮可以强制息屏。

调节的时候，先接通市电，不要接电池和负载。然后调节电压调节旋钮。直到显示的电压为电池的充电限制电压。例如磷酸铁锂为  14.4V，铅酸为 13.8V，三元锂为 12.6V。

接着，调节电流旋钮，设定充电电流。一般设定为电池容量的 1/10。比如 3000mAH 的电池，就设定充电电流为 0.3A。

设定完毕后，关机。然后再接上负载。开机，再插入电池（这一步是为了避免电池对开关电源里的大滤波电容充电导致打火）。

演示视频  https://www.bilibili.com/video/BV1WrESzVEAx