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计算机内置智能应急供电设备的设计

发布时间:2017-11-28
  摘要: 不间断电源(UPS),是将蓄电池与计算机主机相连接,通过主机逆变器等模块将直流电转换成市电的系统设备.目前,UPS已被各电气及电气相关行业所广泛使用.针对现行 UPS 电能转换过程复杂、体积过大等缺点,该文介绍了一种新型的电能转换简单、小体积、低功耗、物联网化的计算机内置智能应急供电设备.
 
  关键词: 不间断供电;电源无缝切换技术;WiFi 物联中控

  0 引言
 
  在信息时代,计算机扮演着十分重要的角色.但是,不可预测的停电事故会对计算机的可持续运行造成严重影响.人们对不间断电源(UPS)的需求越来越强.所以,UPS 的升级优化势在必行.
 
  虽然传统的 UPS 可以短时间内为断电设备供电[1],但其在电能转换、功耗及体积上的缺点,使中小企业及个人望而却步.所以需要一款新型的供电设备来解决这一问题.此外,设备的物联网模块将使之更加网络化和系统化.本文对这一新型应急供电设备的原理、结构、功能进行了详实的介绍,彰显了该设备的创新理念.
 
  1 智能应急供电设备整体设计方案
 
  本文突出介绍设备的模块设置:电源切换模块、电池模块和故障检测-物联模块.
 
  电源切换模块负责断电瞬间市电和锂电池供电的无缝切换;电池模块由锂电池组和稳压单元组成:在市电下充电,市电断开时为主机供电;故障检测可为设备管理员提供必要的电源性能参数,参数异常时可以发出警告;物联网实现了中控设备与各智能电源终端的联网控制.
 
  2 市电和电池供电的无缝切换
 
  2.1 模块功能
 
  该电路中有两组电源,如图 1 所示.
 
  ===================
 
  P1 代表市电整流后的直流电,P2 代表锂电池组.C1 代表计算机.电压比较器的输出状态可以指示市电的变化:当输出低电平时,市电正常为计算机供电,切换模块无动作;当市电突然停电,电压比较器输出反转,驱动切换模块运行,主机的电源由市电切换为锂电池.这一过程耗时极短(8ms),如此短的切换时间不会使主机重启.但是为了提高设备精度,该模块另加入了续流电容.
 
  传统的 UPS 电源电能转换情况复杂:首先将市电整流成直流电为蓄电池充电,蓄电池输出的直流电需要逆变为交流电经整流后才能为主机供电.相比而言,本设备直接使整流后的市电为电池供电,电池输出的直流电直接为主板供电,电能转换过程简单.
 
  2.2 模块结构
 
  该电路由采样电阻、基准电压电路、电压比较器LM393、4 只 PMOS 管 IRF4905 和一组反向达林顿管组成.
 
  另外,两只并列的 P 沟道增强型 MOS 管 Q3、Q4 在隔断供电双方方面起到了很好的作用[2]:PMOS 内部耦合了一支体二极管,由于其单向导通性,一方电源为主机供电时,另一方不会误通.
 
  3 电池模块的设计
 
  电池模块由两部分组成:电池组和稳压单元.电池组采用聚合物锂电池,它是一种新型高性能锂电池.此外,为充分利用电池,引入稳压模块稳定其电压平台,使之充分放电.
 
  3.1 电池组的设计
 
  传统的 UPS 电源采用铅蓄电池.与铅蓄电池相比,聚合物锂电池在环保性、寿命、自放电率、能量比、放电特性、电压平台、便携性[3]等性能上有很大优势.
 
  本设备采用了一组 3 串 12 并的 18650 聚合物锂电池组成电池组,容量为 40A·h.除了可为设备供电外,还可以为计算机显示器提供 19V 供电电压.另两个 5V 专用电压输出可为其他移动设备充电.此外,该电池组充电器独立于电池组本身,极大地提高了电池组的便携性.
 
  3.2 稳压模块的设计
 
  由于电池放电电压与其电量是正相关的,且电池电压平台持续时间无法控制.当放电电压低于放电平台时,即便电池中还有余电也不能正常放电,导致电池滞电.本设计引入的 1200W DC-DC 恒压恒流大功率 boost 电路可以很好地稳定电池的放电电压,使电池电量得以充分利用.
 
  4 故障报警-物联网模块设计
 
  针对可能存在的安全隐患,本设备引入了基于Arduino 的过温和低电压报警机制.
 
  此外,为了真正地将该设备引入实际应用,方便设备的局域互通和联网控制,本设计建立了一套物联网中央监控体系用以控制和监测每一台设备.
 
  4.1 基于 Arduino 的实时温度、电压监测
 
  4.1.1 实时电池温度监测
 
  本设备采用 DS18b20 温度传感器对电池温度进行实时检测.DS18b20 自身带有 A/D 转换且与 MCU 单线传输,结构简明.此外,DS18b20 的 8 位数据传输极大地提高了其精度[5].
 
  Arduino 读取 DS18b20 数字端口,得到温度信息并送给设备的 LCD 屏,同时将该数据通过 WiFi 模块送给移动中控设备.当电池温度高于温度设定值时,蜂鸣器报警并自动断开电池组与主机的连接.程序设计流程如图 2所示.
 
  4.1.2 实时电池电压监测
 
  Arduino 内部模拟接口可直接对电池电压进行检测,与标准电压值 12V 进行实时对比.当电池电压过低时,蜂鸣器报警.
 
  4.2 物联网模块的设计
 
  当 WiFi 模块接收到 Arduino 的监测信号时,移动端串口助手显示实时指标,当移动设备发出指令时,WiFi 模块将指令传递给 Arduino,进而向驱动设备动作.物联网模块的信号传输过程如图 3 所示.
 
  5 结语
 
  本文设计了一种计算机内置智能应急供电设备,简化
 
  ====================
 
  了传统 UPS 电能转换过程、降低了功耗和体积.本设计方法灵活,采用了 Arduino 实现数据处理,易于调试,成本低,性能稳定,保障了用户在突发的停电事故中计算机内部重要文件不会丢失.在对供电持续性要求很高的服务器、办公机房等环境下具有广阔的应用前景.
 
  参考文献:
 
  [1]杨碧石.UPS 电源新技术及应用[J].现代电子技术,2002(02):13-14.
  [2]洪乃刚.电力电子技术基础[M].清华大学出版社,2015.
  [3]曹金亮,张春光,陈修强,李虹.锂聚合物电池的发展、应用及前景[J].电源技术,2014(01):168-169,188.
  [4]卫永琴.交流 Buck-Boost 电路的分析与研究[D].山东科技大学,2003.
  [5]张越,张炎,赵延军.基于 DS18B20 温度传感器的数字温度计[J].微电子学,2007(05):709-711,716.
  [6]钱建波,于正永,杨安康.基于 WIFI 平台的智能型物联电源管理终端的研究[J].电脑知识与技术,2011(21):5197-5199.
  [7]张子木.基于 Arduino 的物联网接入技术的研究[D].北京工业大学,2015.
  [8]赖亚芳.调度自动化机房 UPS 电源系统改造实践[D].华北电力大学(北京),2016.
  [9]张波,黎燕,张睿.UPS 电源系统的原理和维护[J].自动化与仪器仪表,2016(12):168-169.
  [10]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].五版.2009.
  [11]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].五版.2015.

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