计算机内置智能应急供电设备的设计

李民

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。

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.

关键词： 不间断供电；电源无缝切换技术；WiFi物联中控

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

中图分类号：TP311.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）35-0120-02

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，它是一種新型高性能锂电池。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endprint

由于电池放电电压与其电量是正相关的，且电池電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：

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