計算機內置智能應急供電設備的設計

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換成市電的系統設備。目前，UPS已被各電氣及電氣相關行業所廣泛使用。針對現行UPS電能轉換過程復雜、體積過大等缺點，該文介紹了一種新型的電能轉換簡單、小體積、低功耗、物聯網化的計算機內置智能應急供電設備。

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.

關鍵詞： 不間斷供電；電源無縫切換技術；WiFi物聯中控

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的升級優化勢在必行。

雖然傳統的UPS可以短時間內為斷電設備供電[1]，但其在電能轉換、功耗及體積上的缺點，使中小企業及個人望而卻步。所以需要一款新型的供電設備來解決這一問題。此外，設備的物聯網模塊將使之更加網絡化和系統化。本文對這一新型應急供電設備的原理、結構、功能進行了詳實的介紹，彰顯了該設備的創新理念。

1 智能應急供電設備整體設計方案

本文突出介紹設備的模塊設置：電源切換模塊、電池模塊和故障檢測-物聯模塊。

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；故障檢測可為設備管理員提供必要的電源性能參數，參數異常時可以發出警告；物聯網實現了中控設備與各智能電源終端的聯網控制。

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，驅動切換模塊運行，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。但是為了提高設備精度，該模塊另加入了續流電容。

傳統的UPS電源電能轉換情況復雜：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為交流電經整流后才能為主機供電。相比而言，本設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，電能轉換過程簡單。

2.2 模塊結構

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內部耦合了一支體二極管，由于其單向導通性，一方電源為主機供電時，另一方不會誤通。

3 電池模塊的設計

電池模塊由兩部分組成：電池組和穩壓單元。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，引入穩壓模塊穩定其電壓平臺，使之充分放電。

3.1 電池組的設計

傳統的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]等性能上有很大優勢。

本設備采用了一組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 穩壓模塊的設計endprint

由于電池放電電壓與其電量是正相關的，且電池電壓平臺持續時間無法控制。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。本設計引入的1200W DC-DC恒壓恒流大功率boost電路可以很好地穩定電池的放電電壓，使電池電量得以充分利用。

4 故障報警-物聯網模塊設計

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

此外，為了真正地將該設備引入實際應用，方便設備的局域互通和聯網控制，本設計建立了一套物聯網中央監控體系用以控制和監測每一臺設備。

4.1 基于Arduino的實時溫度、電壓監測

4.1.1 實時電池溫度監測

本設備采用DS18b20溫度傳感器對電池溫度進行實時檢測。DS18b20自身帶有A/D轉換且與MCU單線傳輸，結構簡明。此外，DS18b20的8位數據傳輸極大地提高了其精度[5]。

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

4.1.2 實時電池電壓監測

Arduino內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 物聯網模塊的設計

當WiFi模塊接收到Arduino的監測信號時，移動端串口助手顯示實時指標，當移動設備發出指令時，WiFi模塊將指令傳遞給Arduino，進而向驅動設備動作。物聯網模塊的信號傳輸過程如圖3所示。

5 結語

本文設計了一種計算機內置智能應急供電設備，簡化了傳統UPS電能轉換過程、降低了功耗和體積。本設計方法靈活，采用了Arduino實現數據處理，易于調試，成本低，性能穩定，保障了用戶在突發的停電事故中計算機內部重要文件不會丟失。在對供電持續性要求很高的服務器、辦公機房等環境下具有廣闊的應用前景。

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