計算機內(nèi)置智能應(yīng)急供電設(shè)備的設(shè)計

李民

摘要： 不間斷電源（UPS），是將蓄電池與計算機主機相連接，通過主機逆變器等模塊將直流電轉(zhuǎn)換成市電的系統(tǒng)設(shè)備。目前，UPS已被各電氣及電氣相關(guān)行業(yè)所廣泛使用。針對現(xiàn)行UPS電能轉(zhuǎn)換過程復雜、體積過大等缺點，該文介紹了一種新型的電能轉(zhuǎn)換簡單、小體積、低功耗、物聯(lián)網(wǎng)化的計算機內(nèi)置智能應(yīng)急供電設(shè)備。

Abstract： Uninterruptible power supply， the device which makes the battery and the computer host joint and transfer the direct current into the mains electricity by some modules like host inverter. Nowadays， UPS has been widely used in the electrical industry and some other relevant ones. But the complex electricity transferring process and too heavy volume have been the cause of some personalusers abandoned it. In this paper， a new internal intelligent emergency power supplying device is designed and introduced. There are a large number of superiority of the new device： the light size， simple electricity transform， low power waste and the Internet of things.

關(guān)鍵詞： 不間斷供電；電源無縫切換技術(shù)；WiFi物聯(lián)中控

Key words： uninterruptible power supply；switching circuit；the Internet of things

中圖分類號：TP311.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）35-0120-02

0 引言

在信息時代，計算機扮演著十分重要的角色。但是，不可預測的停電事故會對計算機的可持續(xù)運行造成嚴重影響。人們對不間斷電源（UPS）的需求越來越強。所以，UPS的升級優(yōu)化勢在必行。

雖然傳統(tǒng)的UPS可以短時間內(nèi)為斷電設(shè)備供電[1]，但其在電能轉(zhuǎn)換、功耗及體積上的缺點，使中小企業(yè)及個人望而卻步。所以需要一款新型的供電設(shè)備來解決這一問題。此外，設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)模塊將使之更加網(wǎng)絡(luò)化和系統(tǒng)化。本文對這一新型應(yīng)急供電設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)、功能進行了詳實的介紹，彰顯了該設(shè)備的創(chuàng)新理念。

1 智能應(yīng)急供電設(shè)備整體設(shè)計方案

本文突出介紹設(shè)備的模塊設(shè)置：電源切換模塊、電池模塊和故障檢測-物聯(lián)模塊。

電源切換模塊負責斷電瞬間市電和鋰電池供電的無縫切換；電池模塊由鋰電池組和穩(wěn)壓單元組成：在市電下充電，市電斷開時為主機供電；故障檢測可為設(shè)備管理員提供必要的電源性能參數(shù)，參數(shù)異常時可以發(fā)出警告；物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了中控設(shè)備與各智能電源終端的聯(lián)網(wǎng)控制。

2 市電和電池供電的無縫切換

2.1 模塊功能

該電路中有兩組電源，如圖1所示。P1代表市電整流后的直流電，P2代表鋰電池組。C1代表計算機。電壓比較器的輸出狀態(tài)可以指示市電的變化：當輸出低電平時，市電正常為計算機供電，切換模塊無動作；當市電突然停電，電壓比較器輸出反轉(zhuǎn)，驅(qū)動切換模塊運行，主機的電源由市電切換為鋰電池。這一過程耗時極短（8ms），如此短的切換時間不會使主機重啟。但是為了提高設(shè)備精度，該模塊另加入了續(xù)流電容。

傳統(tǒng)的UPS電源電能轉(zhuǎn)換情況復雜：首先將市電整流成直流電為蓄電池充電，蓄電池輸出的直流電需要逆變?yōu)榻涣麟娊?jīng)整流后才能為主機供電。相比而言，本設(shè)備直接使整流后的市電為電池供電，電池輸出的直流電直接為主板供電，電能轉(zhuǎn)換過程簡單。

2.2 模塊結(jié)構(gòu)

該電路由采樣電阻、基準電壓電路、電壓比較器LM393、4只PMOS管IRF4905和一組反向達林頓管組成。

另外，兩只并列的P溝道增強型MOS管Q3、Q4在隔斷供電雙方方面起到了很好的作用[2]：PMOS內(nèi)部耦合了一支體二極管，由于其單向?qū)ㄐ裕环诫娫礊橹鳈C供電時，另一方不會誤通。

3 電池模塊的設(shè)計

電池模塊由兩部分組成：電池組和穩(wěn)壓單元。電池組采用聚合物鋰電池，它是一種新型高性能鋰電池。此外，為充分利用電池，引入穩(wěn)壓模塊穩(wěn)定其電壓平臺，使之充分放電。

3.1 電池組的設(shè)計

傳統(tǒng)的UPS電源采用鉛蓄電池。與鉛蓄電池相比，聚合物鋰電池在環(huán)保性、壽命、自放電率、能量比、放電特性、電壓平臺、便攜性[3]等性能上有很大優(yōu)勢。

本設(shè)備采用了一組3串12并的18650聚合物鋰電池組成電池組，容量為40A·h。除了可為設(shè)備供電外，還可以為計算機顯示器提供19V供電電壓。另兩個5V專用電壓輸出可為其他移動設(shè)備充電。此外，該電池組充電器獨立于電池組本身，極大地提高了電池組的便攜性。

3.2 穩(wěn)壓模塊的設(shè)計endprint

由于電池放電電壓與其電量是正相關(guān)的，且電池電壓平臺持續(xù)時間無法控制。當放電電壓低于放電平臺時，即便電池中還有余電也不能正常放電，導致電池滯電。本設(shè)計引入的1200W DC-DC恒壓恒流大功率boost電路可以很好地穩(wěn)定電池的放電電壓，使電池電量得以充分利用。

4 故障報警-物聯(lián)網(wǎng)模塊設(shè)計

針對可能存在的安全隱患，本設(shè)備引入了基于Arduino的過溫和低電壓報警機制。

此外，為了真正地將該設(shè)備引入實際應(yīng)用，方便設(shè)備的局域互通和聯(lián)網(wǎng)控制，本設(shè)計建立了一套物聯(lián)網(wǎng)中央監(jiān)控體系用以控制和監(jiān)測每一臺設(shè)備。

4.1 基于Arduino的實時溫度、電壓監(jiān)測

4.1.1 實時電池溫度監(jiān)測

本設(shè)備采用DS18b20溫度傳感器對電池溫度進行實時檢測。DS18b20自身帶有A/D轉(zhuǎn)換且與MCU單線傳輸，結(jié)構(gòu)簡明。此外，DS18b20的8位數(shù)據(jù)傳輸極大地提高了其精度[5]。

Arduino讀取DS18b20數(shù)字端口，得到溫度信息并送給設(shè)備的LCD屏，同時將該數(shù)據(jù)通過WiFi模塊送給移動中控設(shè)備。當電池溫度高于溫度設(shè)定值時，蜂鳴器報警并自動斷開電池組與主機的連接。程序設(shè)計流程如圖2所示。

4.1.2 實時電池電壓監(jiān)測

Arduino內(nèi)部模擬接口可直接對電池電壓進行檢測，與標準電壓值12V進行實時對比。當電池電壓過低時，蜂鳴器報警。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)模塊的設(shè)計

當WiFi模塊接收到Arduino的監(jiān)測信號時，移動端串口助手顯示實時指標，當移動設(shè)備發(fā)出指令時，WiFi模塊將指令傳遞給Arduino，進而向驅(qū)動設(shè)備動作。物聯(lián)網(wǎng)模塊的信號傳輸過程如圖3所示。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種計算機內(nèi)置智能應(yīng)急供電設(shè)備，簡化了傳統(tǒng)UPS電能轉(zhuǎn)換過程、降低了功耗和體積。本設(shè)計方法靈活，采用了Arduino實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，易于調(diào)試，成本低，性能穩(wěn)定，保障了用戶在突發(fā)的停電事故中計算機內(nèi)部重要文件不會丟失。在對供電持續(xù)性要求很高的服務(wù)器、辦公機房等環(huán)境下具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]楊碧石.UPS電源新技術(shù)及應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2002（02）：13-14.

[2]洪乃剛.電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].清華大學出版社，2015.

[3]曹金亮，張春光，陳修強，李虹.鋰聚合物電池的發(fā)展、應(yīng)用及前景[J].電源技術(shù)，2014（01）：168-169，188.

[4]衛(wèi)永琴.交流Buck-Boost電路的分析與研究[D].山東科技大學，2003.

[5]張越，張炎，趙延軍.基于DS18B20溫度傳感器的數(shù)字溫度計[J].微電子學，2007（05）：709-711，716.

[6]錢建波，于正永，楊安康.基于WIFI平臺的智能型物聯(lián)電源管理終端的研究[J].電腦知識與技術(shù)，2011（21）：5197-5199.

[7]張子木.基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)的研究[D].北京工業(yè)大學，2015.

[8]賴亞芳.調(diào)度自動化機房UPS電源系統(tǒng)改造實踐[D].華北電力大學（北京），2016.

[9]張波，黎燕，張睿.UPS電源系統(tǒng)的原理和維護[J].自動化與儀器儀表，2016（12）：168-169.

[10]王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)[M].五版.2009.

[11]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].五版.2015.endprint