基于嵌入式的開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)分析與研究

肖文軍

（中國鐵塔股份有限公司平?jīng)鍪蟹止?，甘肅 平?jīng)?744000）

對(duì)于通信公司來說，通信系統(tǒng)是整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的核心，而通信系統(tǒng)受通信電源的影響，通信電源的重要性毋庸置疑。據(jù)相關(guān)調(diào)查報(bào)告顯示中國通信公司在電力能源上的消耗能夠占據(jù)營業(yè)額的5%，通信電源的管理和維護(hù)需要占用大量的成本，因此，嵌入式開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)的研發(fā)迫在眉睫，必須實(shí)現(xiàn)對(duì)通信系統(tǒng)電源開關(guān)的智能化控制，才能降低電力能源的消耗，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的。

1 開關(guān)電源的技術(shù)背景

電源在當(dāng)今社會(huì)的重要性不斷提高，任何用電的設(shè)備和系統(tǒng)都要使用電源，而電源開關(guān)是控制用電設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行的主要方式。當(dāng)今社會(huì)生活和生產(chǎn)對(duì)電力能源的使用在不斷增強(qiáng)，電源的使用要求也隨之提高，高頻化和節(jié)能化是電源未來的發(fā)展方向。而且隨著開關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域不斷增加，安全性和可靠性同樣成為開關(guān)電源必須具備的性能，否則無法保證企業(yè)的用電安全。當(dāng)前企業(yè)多采用N+1 的開關(guān)電源配置方式，這樣能保證開關(guān)電源在使用時(shí)負(fù)載在設(shè)計(jì)要求之內(nèi)。但有些企業(yè)在使用開關(guān)電源時(shí)冗余的開關(guān)電源較多，導(dǎo)致其負(fù)載要求遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求，這樣實(shí)際上也是一種能源浪費(fèi)。本文對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行研究，希望設(shè)計(jì)出一種既能減少能源浪費(fèi)，又能保持開關(guān)電源的負(fù)載在設(shè)計(jì)要求之內(nèi)的節(jié)能系統(tǒng)，這樣則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)電源系統(tǒng)的休眠和控制要求[1]。

2 開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)的原理

本文從整流模塊的角度介紹其休眠節(jié)能的技術(shù)原理，分別從輸出功率、帶載損耗、空載損耗三個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)原理分析。開關(guān)電源整流模塊的輸出功率與負(fù)載電流有關(guān)，輸出功率直接決定了開關(guān)電源的能耗。如果輸出功率過大，則很難降低開關(guān)電源的實(shí)際能源消耗。開關(guān)電源整流模塊的帶載損耗指工作效率，當(dāng)整流模塊的負(fù)載率在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)時(shí)，開關(guān)電源的工作效率較高，此時(shí)帶載損耗較小，一般整流模塊的負(fù)載率設(shè)計(jì)要求為40%～80%，當(dāng)帶載損耗比較高時(shí)，可以通過提高整理模塊的負(fù)載率提高其工作效率，最后降低其帶載損耗。開關(guān)電源整流模塊的空載損耗一般是由于負(fù)載率未達(dá)到額定容量導(dǎo)致的，此時(shí)可以增加整流模塊的數(shù)量，提高其負(fù)載率，最后減少開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)的空載損耗。

可以根據(jù)系統(tǒng)中開關(guān)電源整流模塊的負(fù)載率調(diào)整其工作狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)電源系統(tǒng)的整流模塊負(fù)載率比較低時(shí)，可以讓部分開關(guān)電源休眠，這樣可以提高開關(guān)電源的負(fù)載率，從而減少開關(guān)電源的不必要損耗。當(dāng)開關(guān)電源系統(tǒng)的整流電源負(fù)載率比較高時(shí)，可以喚醒休眠的開關(guān)電源，這樣能降低開關(guān)電源的負(fù)載率，防止開關(guān)電源損壞，還能減小開關(guān)電源的能源損耗。最后通過對(duì)開關(guān)電源的輪流調(diào)整，使其可以獲得一定的休眠時(shí)間，即可延長開關(guān)電源的使用壽命[2]。

3 開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 升級(jí)電源監(jiān)控單元

開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)可以通過升級(jí)電源監(jiān)控單元來實(shí)現(xiàn)休眠控制，雖然很多開關(guān)電源在設(shè)計(jì)出來時(shí)就具備休眠的功能，但是實(shí)際使用中并不能實(shí)現(xiàn)休眠。因此，設(shè)計(jì)人員可以從休眠功能入手對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，讓所有開關(guān)電源都能夠得到充分休眠，防止出現(xiàn)部分開關(guān)電源不間斷工作、另一部分開關(guān)電源一直休眠的情況。

3.2 使用電流傳感器硬件

開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)可以通過使用電流傳感器硬件直接將整流器的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)信息傳輸給休眠控制模塊，從而提高整流器負(fù)荷率計(jì)算的速度和準(zhǔn)確率，方便系統(tǒng)對(duì)開關(guān)電源的休眠和喚醒進(jìn)行控制。除此之外，保證開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)單獨(dú)供電，防止開關(guān)電源影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

3.3 測(cè)試硬件休眠技術(shù)的運(yùn)行

開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)在正式投入使用之前必須先進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)開關(guān)電源的損壞情況和節(jié)能效率判斷系統(tǒng)的安全性是否可靠，最后通過測(cè)試后才能在大范圍內(nèi)推廣使用。

4 嵌入式的開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

4.1 開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

嵌入式的開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)首先應(yīng)保證模塊化，模塊化是嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)保障。如果不采用模塊化結(jié)構(gòu)對(duì)該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，則無法實(shí)現(xiàn)嵌入式開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。因此，可以直接通過整流模塊、LCD 顯示模塊、休眠控制模塊對(duì)該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)使用繼電器開關(guān)作為控制整流器電流輸出的方式，最后即可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中整流模塊負(fù)載率的動(dòng)態(tài)管理，從而根據(jù)整流模塊的負(fù)載率決定開關(guān)電源的休眠和工作。

4.1.1 整流模塊設(shè)計(jì)

整流模塊直接與輸入的交流電進(jìn)行連接，所以必須先采用濾波的方式過濾掉輸入交流電中的雜波，防止尖峰雜波對(duì)整流模塊的負(fù)載率產(chǎn)生影響。因此，整流模塊將輸入交流電轉(zhuǎn)換為直流電壓之后，即可分別通過多個(gè)繼電器開關(guān)，再同步通過多個(gè)整流器，多途徑輸出直流電。直接輸出匯流之后再對(duì)輸出電流整體進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)與休眠控制模塊進(jìn)行連接即可實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)電源的休眠控制。

4.1.2 休眠控制模塊設(shè)計(jì)

休眠控制模塊是整個(gè)開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)整體架構(gòu)的核心，該模塊與輸出回流和繼電器開關(guān)相互連接，可以通過輸出電流的信息完成對(duì)繼電器開關(guān)的開閉控制。但休眠控制模塊需要對(duì)輸出匯流的數(shù)值大小進(jìn)行判斷，該模塊必須具備數(shù)據(jù)處理分析的能力，所以休眠控制模塊的核心是單片機(jī)，單片機(jī)可以作為一個(gè)小型CPU 在模塊中完成數(shù)據(jù)處理分析和判斷。休眠控制模塊應(yīng)該根據(jù)整流器的直流電流輸出結(jié)果將其轉(zhuǎn)變成線形變化電壓，然后再通過單片機(jī)A/D 模塊對(duì)電壓值是否超過限定數(shù)值進(jìn)行判斷。如果輸出電流的電壓值檢測(cè)結(jié)果超過限定范圍，可以認(rèn)為開關(guān)電源的整流模塊負(fù)載率較高，此時(shí)可以打開繼電器開關(guān)，喚醒休眠的開關(guān)電源。如果輸出電流的電壓值檢測(cè)結(jié)果小于限定范圍，可以認(rèn)為開關(guān)電源的整流模塊負(fù)載率過低，此時(shí)可以閉合繼電器開關(guān)，讓部分開關(guān)電源休眠。

4.1.3 LCD 顯示模塊設(shè)計(jì)

LCD 顯示模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控開關(guān)電源休眠系統(tǒng)的工作狀態(tài)和各個(gè)模塊設(shè)備的參數(shù)，最后將實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)顯示到LCD顯示模組上。LCD 顯示模塊的作用是人工輔助監(jiān)測(cè)，防止開關(guān)電源休眠系統(tǒng)工作狀態(tài)異常最終導(dǎo)致開關(guān)電源損壞，該模塊可以將整流器的工作狀態(tài)和繼電器的開關(guān)裝備顯示在監(jiān)視器上，工作人員可以通過LCD 顯示屏監(jiān)控各個(gè)整流器的負(fù)載率情況和開關(guān)電源的休眠狀況。

4.2 開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)首先應(yīng)該明確共有哪些模塊需要使用硬件設(shè)備，休眠控制模塊中的控制核心為單片機(jī)，可以使用型號(hào)為PIC16F877 的單片機(jī)對(duì)開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)的控制核心對(duì)開關(guān)電源整流器負(fù)載率的參數(shù)進(jìn)行處理，最終實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的休眠與喚醒，則可以達(dá)到節(jié)能的目的。除了系統(tǒng)的核心控制芯片外，LCD、串口、復(fù)位電路、電流檢測(cè)接口電路和電源模塊中的硬件設(shè)備設(shè)計(jì)也同樣重要。LCD 硬件設(shè)備的作用是數(shù)據(jù)參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)顯示，LCD硬件主要使用玻璃和驅(qū)動(dòng)器兩種材料進(jìn)行集成；電流檢測(cè)接口電路可以提供電流檢測(cè)結(jié)果，其硬件設(shè)備為電流和電壓等監(jiān)測(cè)電子元件。

4.3 開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)也是非常必要的，軟件是實(shí)現(xiàn)嵌入式開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)的根本，而軟件設(shè)計(jì)和編寫首先要明確該系統(tǒng)的控制流程。本文按照整流模塊負(fù)載率在40%～80%為最佳參數(shù)對(duì)該系統(tǒng)的軟件控制流程進(jìn)行分析，該系統(tǒng)軟件控制流程邏輯的編寫從輸出電流檢測(cè)開始即可，因?yàn)檩敵鲭娏鳈z測(cè)可以直接計(jì)算出整流器的負(fù)載率，而整流器的負(fù)載率是判斷開關(guān)電源休眠和喚醒的重要因素。因此，該系統(tǒng)軟件流程邏輯的編寫首先對(duì)輸出電流檢測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行記錄，然后根據(jù)電流結(jié)果計(jì)算出整流器的負(fù)載率，再將負(fù)載率結(jié)果與40%～80%范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

如果負(fù)載率結(jié)果在40%～80%之間，則保持當(dāng)前開關(guān)電源的工作狀態(tài)即可；如果負(fù)載率結(jié)果在40%以下，則可以通過負(fù)載率與40%之間的差值計(jì)算出需要關(guān)閉多少個(gè)開關(guān)電源模塊才能保證負(fù)載率升高到40%～80%之間，最后關(guān)閉對(duì)應(yīng)數(shù)量的開關(guān)即可；如果負(fù)載率結(jié)果在80%以上，則可以通過負(fù)載率與80%之間的差值計(jì)算出需要開啟多個(gè)開關(guān)電源模塊才能保證負(fù)載率降低到40%～80%之間，最后開啟對(duì)應(yīng)數(shù)量的開關(guān)即可。但考慮到開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)無法直接對(duì)開關(guān)電源本身進(jìn)行控制，因此一般通過控制繼電器開關(guān)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)整流器模塊的控制。除此之外，開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)還需要對(duì)每個(gè)開關(guān)電源的工作時(shí)間進(jìn)行記錄，然后按照工作時(shí)間對(duì)工作的開關(guān)電源進(jìn)行調(diào)整，保證每個(gè)開關(guān)電源的休息時(shí)間相近，這樣才能延長所有開關(guān)電源的使用壽命。

5 結(jié)論

綜上所述，嵌入式的開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)可以先從整流模塊、休眠控制模塊和LCD 顯示模塊三個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再從電源模塊、電流檢測(cè)接口電路、芯片、復(fù)位電路、FLASH、串口、LCD 等方面對(duì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后再設(shè)計(jì)出該系統(tǒng)的控制軟件，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式開關(guān)電源休眠節(jié)能系統(tǒng)的智能化控制。無線電源休眠節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)對(duì)無線基站來說具有重要作用，它可以減小通信公司的能源消耗，降低其運(yùn)營和管理成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信公司無線基站開關(guān)電源的智能化控制。