基于LTC3789和LT8608的家用不間斷電源（UPS）設計方案

1. 概述

不間斷電源（UPS）是一種能夠在主電源故障或波動時提供臨時電力支持的設備，常用于保護計算機、服務器、通訊設備等關鍵系統。本文將基于LTC3789四開關降壓-升壓轉換器和LT8608同步降壓轉換器，詳細介紹一種家用不間斷電源的設計方案。該方案不僅實現了穩定的電壓輸出，還能夠在電池和市電之間無縫切換，以保證設備在各種條件下的正常工作。

2. 設計需求與方案選擇

UPS的核心功能包括：

• 供電穩定性：在電網電壓波動或中斷時，能夠穩定供電。

• 切換速度：市電與電池電源之間的切換必須足夠快速，避免輸出電壓波動影響負載設備。

• 電池管理：包括電池的充電管理和放電保護。

• 效率：在不同輸入電壓下均能實現高效的電力轉換。

為了滿足這些需求，本設計選用了LTC3789和LT8608作為核心電源管理芯片：

• LTC3789：作為四開關降壓-升壓轉換器，適用于輸入電壓可能高于、低于或等于輸出電壓的情況，非常適合UPS的電壓轉換需求。

• LT8608：作為同步降壓轉換器，提供穩定的直流輸出，保證供電的穩定性和效率。

3. LTC3789在設計中的應用

3.1 芯片概述

LTC3789是一款高效的四開關同步降壓-升壓轉換器。它能夠在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的情況下提供穩定的輸出電壓。其工作頻率可調，具有高達98%的效率，并且支持寬輸入電壓范圍（4V至38V）。LTC3789內置的功率開關和電流模式控制能夠確保在各種輸入電壓條件下實現穩定的電壓輸出。

3.2 LTC3789的主要特性

• 寬輸入電壓范圍：LTC3789支持從4V到38V的輸入電壓，非常適合UPS應用中市電和電池之間的電壓波動。

• 高效率：LTC3789在升壓和降壓模式下均能實現高效率的電力轉換。

• 低靜態電流：該芯片的靜態電流低至2μA，極大地延長了電池供電時的使用壽命。

• 輸出電壓調節：LTC3789可以通過外部反饋電路精確調節輸出電壓，以適應不同的負載需求。

3.3 在UPS中的作用

在本UPS設計中，LTC3789用于管理市電或電池輸入的電壓轉換。無論輸入電壓是高于、低于還是等于所需的輸出電壓，它都能通過調整內部的四個開關，實現穩定的5V或12V直流輸出。這種降壓-升壓轉換特性確保了即使在輸入電壓波動較大時，也能穩定輸出，滿足家用電器的供電需求。

4. LT8608在設計中的應用

4.1 芯片概述

LT8608是一款2A、高效率、低靜態電流的同步降壓轉換器，支持2.5V至42V的輸入電壓范圍，適用于從高電壓輸入向低電壓輸出轉換的應用場合。LT8608采用固定頻率（200kHz至2.2MHz可調），內置功率MOSFET，能夠提供穩定的直流輸出，最高轉換效率可達96%。

4.2 LT8608的主要特性

• 高效率：在寬輸入電壓范圍內提供高達96%的轉換效率，減少了熱量產生，適合小型封裝的設計。

• 寬輸入電壓范圍：支持從2.5V至42V的輸入，能夠適應市電與電池電壓的變化。

• 低靜態電流：超低的靜態電流（2.5μA），在電池供電模式下可以最大限度地延長電池壽命。

• 可調頻率：通過外部電阻調整工作頻率，靈活適應不同的應用需求。

• 內置補償電路：簡化了電路設計，減少了外部元器件數量。

4.3 在UPS中的作用

LT8608主要用于為UPS中的控制電路及其他低功耗模塊供電。它能夠將LTC3789輸出的電壓進一步降壓至更低的穩定電壓（如3.3V或5V），用于驅動MCU（微控制器）或其他控制電路。這種穩定的低壓供電確保了UPS在工作中的可靠性。

5. 電路設計與關鍵元件選擇

5.1 系統架構

整個UPS設計由以下幾個主要模塊組成：

1. 輸入電壓選擇電路：該電路用于檢測市電狀態并在市電與電池之間切換電源輸入。

2. LTC3789電壓轉換模塊：負責處理輸入電壓并生成穩定的直流輸出。

3. LT8608穩壓模塊：將LTC3789輸出的電壓降至更低的電壓，為控制電路供電。

4. 電池管理模塊：負責監控電池電量及充放電狀態。

5. 控制電路：由MCU控制，負責整個系統的管理和協調。

5.2 輸入電壓選擇電路

輸入電壓選擇電路通過比較市電和電池電壓的優先級來選擇適合的輸入電源。該電路可以使用比較器芯片，如LM393，來監控輸入電壓，當市電電壓低于設定閾值時，自動切換至電池供電。

5.3 LTC3789電壓轉換模塊

在LTC3789的設計中，輸入電壓通過其四開關拓撲結構實現降壓或升壓，具體電路設計如下：

• 輸入電容：選擇低ESR的電容器（如10μF/50V陶瓷電容）以濾除輸入電壓的高頻噪聲。

• 開關MOSFET：LTC3789內部已集成功率MOSFET，外部無需再增加開關器件，簡化了設計。

• 輸出電容：為了穩定輸出電壓，建議使用低ESR的電容器（如100μF/16V陶瓷電容）。

• 反饋電阻：使用精密電阻網絡（如10kΩ和100kΩ電阻）調節輸出電壓。

5.4 LT8608穩壓模塊

LT8608用于為系統中的控制電路提供低壓穩定的直流電源，具體設計如下：

• 輸入電容：使用4.7μF/50V陶瓷電容濾除高頻噪聲。

• 輸出電容：使用22μF/6.3V陶瓷電容以保證輸出電壓的穩定。

• 電感器：根據電流需求選擇合適的電感器（如10μH功率電感）以實現最佳的電流紋波控制。

• 反饋電阻：通過調整反饋電阻（如100kΩ和10kΩ）設定輸出電壓。

5.5 電池管理模塊

電池管理模塊包括充電管理和放電保護功能。可以選擇TP4056鋰電池充電管理芯片作為充電管理單元，同時使用MOSFET和電阻分壓電路實現放電保護。

6. 控制與監控

控制電路的核心是微控制器，推薦使用STM32F103C8T6，它具有豐富的外設接口和足夠的處理能力，能夠管理整個UPS系統的工作狀態。微控制器通過ADC監測輸入和輸出電壓、電流，及時調整LTC3789和LT8608的工作狀態，同時通過UART或I2C接口與外部設備通信，實現遠程監控和報警功能。

7. 整體效率與散熱管理

由于LTC3789和LT8608都具有高效率的特性，因此系統整體的能量轉換效率相對較高。然而，在大電流情況下，仍需考慮散熱問題。可以在PCB設計中增加銅箔散熱區域或使用散熱片來增強散熱效果。特別是LTC3789的功率MOSFET部分，建議使用散熱設計優化，包括增加銅箔面積、散熱孔或添加專用散熱片來有效散熱，保證系統在高負載下長期穩定工作。此外，適當選擇低導熱率封裝材料，如使用具有高熱導率的金屬封裝元件，也可以有效提高散熱效果。

8. PCB設計要點

電源電路的PCB設計至關重要，尤其在高頻開關電路中，需要注意電磁干擾（EMI）、電感、電容位置和走線長度的影響，以確保電源穩定、噪聲小、效率高。以下是一些具體的PCB設計要點：

8.1 電源層與接地層

• 接地層設計：在PCB設計中，必須為LTC3789和LT8608的電源部分提供完整的接地層。盡可能使用大面積的接地平面，以減少電阻并提高電源模塊的穩定性。

• 電源層布線：輸入電源與輸出電源布線要盡可能短、粗，以減少電壓降和傳導噪聲。電源層與接地層之間應盡量減少干擾源的耦合。

8.2 電感和電容的布局

• 電感器布局：電感器應盡量靠近LTC3789和LT8608的開關節點，電感的回路應最短，以減少寄生電感引起的電壓尖峰，降低EMI。

• 輸入和輸出電容布局：輸入電容應盡可能靠近LTC3789的輸入引腳，以減小輸入電壓的紋波；輸出電容也應盡量靠近輸出引腳，減少電壓紋波，提高穩定性。

8.3 散熱與布線優化

• 散熱路徑設計：PCB上為LTC3789和LT8608預留適當的散熱區域，尤其是LTC3789的功率MOSFET所在區域，應當通過增加銅箔面積來提高散熱效果。可以考慮在散熱區域下方打通過孔，增強熱傳導效果。

• 開關節點優化：開關節點的布線應盡可能短，以減少EMI輻射。由于LTC3789的開關頻率較高，任何不必要的長走線都會增加電磁輻射，所以開關節點的走線應嚴格控制。

8.4 EMI控制

• 濾波器設計：在輸入和輸出端可以加裝EMI濾波器，如LC濾波器或π型濾波器，以降低EMI噪聲。此外，可以適當增加外部屏蔽罩，避免電磁干擾對周邊電子設備的影響。

• 分離敏感信號線與電源線：控制電路的敏感信號線應遠離高頻開關電路，避免高頻開關噪聲耦合進敏感信號。

9. 電池管理系統

9.1 充電管理

電池管理是UPS系統設計中的關鍵環節，尤其在電池供電和市電供電的切換過程中，需要有效管理電池的充放電過程。本設計中可以使用TP4056鋰電池充電管理芯片，支持單節鋰電池的充電控制。TP4056內置完整的充電管理電路，包括恒流、恒壓充電，以及充電完成后的電池維護功能。

• 充電電流設置：可以通過調整TP4056的外部電阻，設置合適的充電電流。UPS設計中建議選擇較大電流充電，以縮短電池充電時間，確保UPS在較短時間內恢復備用狀態。

• 電池保護：為了延長電池壽命和提高安全性，需要增加鋰電池的過充、過放、過流和短路保護功能。可以使用DW01保護芯片，它能與MOSFET配合實現完整的鋰電池保護功能。

9.2 放電管理

在市電斷電后，UPS需要從電池供電。電池放電時，通過LTC3789升壓電路將電池電壓（通常為3.7V）提升到穩定的5V或12V輸出，確保負載設備正常工作。在放電過程中，必須確保電池不會過放，避免損壞電池。可以通過微控制器監測電池電壓，當電池電壓下降到安全閾值時，及時關閉負載或發出低電量警告。

10. 控制系統

本設計采用STM32F103C8T6作為控制核心，用于監控UPS系統的運行狀態并進行管理。STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M3內核的32位微控制器，具有豐富的外設接口和低功耗特性，非常適合UPS控制系統的應用。

10.1 功能實現

1. 電壓和電流監測：STM32通過內部ADC采集LTC3789和LT8608的輸入和輸出電壓、電流信息，實時監控系統的電力狀態。可以通過算法判斷市電的斷電狀態，并及時切換到電池供電。

2. 電池管理：STM32還負責管理電池的充電和放電狀態，監控電池電壓和電流，確保電池在安全工作范圍內運行。同時可以通過PWM輸出控制電池的充電電流，優化充電過程。

3. 故障檢測與報警：通過STM32的I/O接口，可以實現對LTC3789、LT8608等電源芯片的故障狀態檢測。一旦檢測到電壓異常、過溫等情況，STM32可以觸發保護措施，并通過蜂鳴器或LED指示燈報警，提醒用戶UPS工作狀態異常。

4. 通信與遠程監控：STM32F103C8T6具有UART、I2C和SPI等接口，方便與外部設備進行通信。可以通過這些接口實現遠程監控，用戶可以實時查看UPS的工作狀態，甚至通過網絡實現遠程控制。

11. 功耗優化

在UPS設計中，功耗優化是非常關鍵的，因為電池供電時間直接決定了系統的可靠性。為了最大限度地延長電池供電時間，以下幾個方面需要特別注意：

11.1 低功耗模式

• MCU低功耗設計：STM32F103C8T6支持多種低功耗模式，如睡眠模式、停止模式等。在UPS處于待機狀態時，可以讓MCU進入低功耗模式，減少系統的整體能耗。

• 電源管理芯片的低靜態電流：LTC3789和LT8608本身具有非常低的靜態電流設計（LTC3789的靜態電流為2μA，LT8608的靜態電流為2.5μA），在電池供電模式下能夠極大地降低能耗。

11.2 開關頻率優化

LTC3789和LT8608的工作頻率可調，通過選擇適當的工作頻率，可以在功耗和效率之間找到平衡。一般情況下，較高的開關頻率能夠減小外部元件的尺寸，但也會增加功耗，因此需要根據具體的設計需求進行優化。

12. 系統測試與調試

在系統設計完成后，需要對整個UPS系統進行全面的測試與調試，以確保其滿足設計要求：

1. 輸入電壓波動測試：模擬市電電壓波動或斷電，測試LTC3789和LT8608是否能在各種輸入電壓條件下保持穩定的輸出。

2. 電池供電測試：在市電斷電時，測試電池是否能無縫切換并提供穩定的供電。同時需要測試電池的充放電效率及電池保護功能。

3. EMI測試：由于LTC3789和LT8608都是高頻開關電源芯片，需要進行電磁兼容性測試，確保系統不會產生過多的電磁輻射。

13. 家用不間斷電源設計方案

基于LTC3789和LT8608的家用不間斷電源設計方案，通過LTC3789的四開關降壓-升壓拓撲結構，實現了穩定、高效的電源管理。LT8608則進一步提供了低功耗的降壓轉換功能，為系統的控制電路提供了穩定的供電。結合STM32F103C8T6微控制器實現的智能控制和電池管理系統，該設計能夠應對市電波動、斷電等多種場景，為家用電器提供可靠的不間斷電源支持。

設計中我們還詳細考慮了散熱管理、EMI控制、功耗優化等問題，確保了系統的可靠性和高效性。這一設計方案適用于家庭、辦公室等場景的電源保護系統，可根據實際需求進行擴展和調整，為特定應用場景提供最佳性能。通過適當的調試和優化，該系統還能夠應用于更多電源保護領域，如服務器、電信設備或工業自動化系統等。

14. 系統擴展與升級

在當前設計的基礎上，可以考慮進一步的擴展和升級，以滿足更高的應用需求和復雜場景。

14.1 增加通信與監控功能

為了增強UPS系統的智能化水平，可以增加通信接口和遠程監控功能。常見的通信接口包括：

• RS485：可以用于遠程監控多個UPS系統，尤其適用于工業場景。RS485具有抗干擾能力強、通信距離長的特點，通過此接口，可以監控每個UPS的狀態并進行集中管理。

• Wi-Fi或以太網模塊：通過添加如ESP8266或RTL8720DN Wi-Fi模塊，UPS可以接入家庭或辦公網絡，用戶可以通過手機APP或Web頁面實時查看UPS的運行狀態，并能在市電中斷時收到通知。若配備以太網模塊如LAN8720A，則可以提供更穩定的網絡連接，適合對通信可靠性要求較高的場景。

• Zigbee或LoRa：適用于更大范圍的無線監控，通過低功耗無線通信技術實現遠距離監控和控制。Zigbee可以在家庭自動化場景中使用，而LoRa則可以擴展到更廣闊的戶外場景。

14.2 增加太陽能輸入支持

為了進一步增強UPS系統的可持續性，可以在設計中增加太陽能電池輸入模塊，實現綠色能源的使用。通過添加太陽能充電控制器，可以將太陽能作為UPS的備用電源，實現環保和節能的目的。

• MPPT太陽能充電控制器：通過采用MPPT（最大功率點追蹤）算法的太陽能控制器，可以有效提高太陽能的利用效率。典型的MPPT控制器如LTC4000，它能夠最大化太陽能板的輸出功率，將其高效地轉換為電池的充電電流。

14.3 增加擴展電池容量

UPS的續航時間取決于電池的容量，若應用場景需要更長時間的備用電源支持，可以考慮增加電池容量或增加可擴展的電池模塊。使用18650鋰電池組或其他高密度儲能方案，能夠有效延長供電時間。

• 智能電池管理：為了支持更大的電池容量，UPS需要配備更復雜的電池管理系統（BMS），如BQ76940，它能支持多個電池串的監測、平衡、充放電控制等功能，確保電池組的健康運行。

14.4 功率擴展與并聯輸出

如果需要為更大功率的負載設備供電，可以通過并聯多個LTC3789或使用更大功率的升降壓轉換器來實現。并聯多個LTC3789時，必須確保各路輸出電流的均衡，可以通過電流共享電路實現。

• 電流共享控制器：使用如LTC4370電流共享控制器，可以確保并聯的多個電源模塊能夠均衡地輸出電流，從而避免單一模塊過載或效率降低的情況。

14.5 增加多種輸出電壓支持

為了適應不同設備的電壓需求，可以通過增加額外的降壓或升壓模塊，提供多路輸出電壓。例如，為了支持同時為12V、5V和3.3V的設備供電，可以使用額外的LT8609降壓轉換器為5V設備供電，再通過LDO或額外的降壓芯片為3.3V設備供電。

14.6 冗余設計

對于關鍵場景，如服務器機房或工業控制中心的UPS系統，可靠性是至關重要的。可以在設計中加入冗余結構，包括雙電源輸入和多路輸出的冗余配置。若某一路電源或模塊失效，備用電源或模塊可以無縫接替工作，確保系統持續運行。

• 雙輸入電源切換控制器：如使用LTC4417，可以實現兩個輸入電源的自動切換功能，確保當主電源故障時，備份電源能夠立即接管。

• 雙模塊冗余設計：并聯兩個獨立的LTC3789模塊或LT8608模塊，當其中一個失效時，另一個模塊可以繼續提供電力。

15. 安全保護與認證

在設計UPS系統時，確保系統的安全性至關重要，尤其是涉及高功率和大電流的場景。以下是一些關鍵的安全設計要點：

15.1 電池保護

• 過充、過放、短路保護：通過鋰電池保護IC如DW01，可以對電池的過充、過放和短路狀態進行實時監控，確保在異常狀態下，電池不會受到永久性損壞。

• 溫度保護：在電池模塊中加入溫度傳感器，通過STM32微控制器檢測電池溫度，當溫度超過安全范圍時，及時關閉充電或放電回路，保護電池安全。

15.2 電壓過壓、欠壓保護

UPS輸出電壓的穩定性直接影響負載設備的正常工作，因此在設計中需要加入過壓和欠壓保護電路。可以通過過壓、欠壓檢測芯片如LTC2965，監測輸出電壓并在電壓異常時采取保護措施。

15.3 過流、過溫保護

LTC3789和LT8608都具備內置的過流和過溫保護機制，但在實際應用中，可以進一步加入外部的過流和過溫保護電路，以提高整個系統的安全性和可靠性。

15.4 防反接與防倒灌保護

為防止用戶不正確連接電源或電池而造成系統損壞，可以在電源輸入和電池輸入端加入防反接和防倒灌電路。常用的防反接保護電路使用MOSFET實現，可以有效保護電路元件免受誤操作損壞。

15.5 安規認證

對于家用和商用的UPS設備，通常需要符合特定的安規標準，如CE、UL和FCC認證。這些認證要求系統具有電氣安全性、輻射和傳導干擾限制等方面的合規設計。

• 電氣安全性：確保系統的電路設計滿足漏電、過載、短路等安全性要求，并通過相應的安規測試。

• 電磁兼容性（EMC）：通過優化PCB設計、增加EMI濾波器等方式控制電磁干擾，確保系統的輻射和傳導干擾符合國際標準。

16. 商業化與成本優化

在實現功能需求的同時，商業化生產還需要考慮成本控制。通過優化元件選型、簡化電路設計和批量生產等方式，可以有效降低生產成本。

16.1 組件選型優化

在滿足性能要求的前提下，選擇具有性價比的組件可以顯著降低成本。例如，選擇更具價格優勢的替代芯片或使用相對便宜的外圍元件。對于電源管理芯片，可以在同類產品中進行對比，選擇滿足需求且價格較低的器件。

16.2 電路模塊化設計

通過模塊化設計，將不同的功能單元獨立設計，可以提高系統的靈活性和生產效率。例如，電源管理模塊、通信模塊、控制模塊等可以分別設計，并在不同產品之間共享通用的模塊，這樣可以降低設計和生產成本。

16.3 批量生產與供應鏈管理

批量生產可以大幅度降低元件采購和生產成本。通過與元件供應商建立長期合作關系，并提前規劃元件采購量，可以獲得更低的價格，減少生產周期和風險。

17. 結論

本設計基于LTC3789和LT8608的家用不間斷電源方案，具備高效的降壓-升壓轉換功能和智能控制能力，能夠為家用設備提供穩定的電力支持。設計中通過采用STM32F103C8T6實現了對系統的全面監控與管理，并通過優化PCB設計和合理的元件選型，提升了系統的穩定性與可靠性。

在未來的設計優化與擴展中，可以通過增加遠程監控、太陽能輸入、擴展電池容量等功能，進一步提升系統的靈活性與實用性。通過結合冗余設計與安全保護機制，該UPS設計可以滿足家庭、辦公、工業等多種場景的電力保護需求。同時，通過成本控制與商業化生產的規劃，能夠實現產品的規模化應用。