CN2403063Y - 集成保护电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种供电脑使用的集成保护电源,它是在一标准开关电源结构内,增加不间断供电电源功能,其中包括有关电路及后备电池。当电网不正常时,可保证电脑(包括显示器)连续工作。该电源安装于电脑机箱内,具有直接与电脑的双向通讯功能,随时向用户主机提供交流电网运行状况以及后备供电信息。用户可通过预置或根据情况选择最佳的保护和节能方法。本实用新型可广泛用于各种微电脑的不间断供电,使电脑得到全方位保护。

Description

集成保护电源

本实用新型属电源领域，特别涉及用于电脑的集成保护电源。

目前，微电脑已广泛应用，尤其在各种企业，数据处理及其运行程序是其宝贵资源。而电网易受外界干扰而发生局部过载及短路跳闸等现象。此外，大功率设备的起动、关闭会造成电压浪涌和下陷，雷电也会在电网上产生突波(瞬间可达几千伏)，这些都可使电脑供电中断，甚至损坏。断电事故对互联网影响更大，因此，不间断电源已被广泛使用。大功率不间断电源可同时保护几台电脑，但一台电脑的加电会对电源产生冲击而影响其它正在工作的电脑。在实现电源与多台微机通讯方面，无论硬件软件都会十分复杂，从而提高设备成本。小型外置不间断电源只保护一台电脑，由于电源与电脑分离，不但浪费空间，也使通讯互联不方便。在结构方面，由于不间断电源与开关电源有不少重复，也造成成本浪费。

曾经有将后备电源与电脑设计成一体的思想，其产品有两种：一是在开关电源上加DC-DC转换电路，当出现停电时，后备设备电路可把电池的低压升为开关电源的高压。这种电源结构把电池放在电脑机箱，即把不间断电源拆为两部分放于电脑前后两端，以至机箱内有长的大功率电流引线，安装使用均不便，易对主机板产生电磁干扰。电池散热条件亦差。另一种内置后备电源叫“无忧卡”，它是一个插入主机板总线插槽的插卡，内中包括一个高能电池和电路。停电时该卡电路产生主机板总线需要的直流电压，并通过软件对电脑工作现场作存盘保护，电网供电正常时，软件将数据从磁盘送回内存。缺点是不能给显示器提供后备，同时由于电池容量所限，后备时间短，用户不能对停电现场作有效处理。而由软件保存数据的方法将随电脑硬件或系统软件的升级而不断更新，因此整套无忧卡售价昂贵，不易推广。

随不间断电源的广泛应用，系统软件对电源要求不仅能在停电时供电，还要求电源具有与电脑通讯功能，但相应软硬件设备复杂昂贵。同时由于不间断电源与电脑有一定距离，通讯连接也不便。以上种种因素，归根结底要求实现将不间断电源与开关电源以及通讯部件集成于一个标准电源结构中。

本实用新型的目的是提供一种把不间断电源的保护功能与开关电源有机结合的并使电源与电脑通讯的集成保护电源，而且整个装置包括电池在内被安装于一个标准开关电源结构内，并安装于电脑机箱中使电脑得到全面保护。

实现本实用新型困难在于：

1.在原有开关电源的有限容积内要增加不间断电源电路及后备电池；

2.解决高密度安装，更要解决散热；

3.要想法提高电池寿命以减少停机更换电池率；

4.电路复杂，尤其增加与电脑的双向通讯功能，必须采用极为合理的电路设计方案；

5.开关电源可以用拨动开关适应外界220V或110V电压，而不间断电源只能固定一种电压输出。本实用新型须具有两种交流电压的输出能力；

6.以上困难都解决，还需附合国际和中国的认证标准。

本实用新型通过以下技术方案完成：

供电通过一个继电器加以控制：在正常供电情况下，交流AC经整流产生直流高压，再经转换器产生电脑所需直流电压，同时利用电池充电器将高压转换成电池的充电电压。当交流输入不正常时，控制电路(单片机)检测后，起动升压转换电路并产生一个高压输出到转换器的输入端，以维持正常直流电压输出。

同时，继电器与逆变器连接，这时显示器交流由逆变器供给。

下面结合附图对本实用新型进行详细说明：

图1a为本实用新型实施例方框图之一；

图1b为本实用新型实施例方框图之二；

图1c为逆变器全桥电路图；

图2a为升压转换电路之一；

图2b为升压转换电路之二；

图3a为交流电压转换成逻辑电位波形图；

图3b为确定电网频率选通方法波形图；

图4为串行口连接示意图；

图5a为用屏幕按钮选择多种保护功能图；

图5b为供电状况屏幕介面图；

图6a为正面元件布局图；

图6b为正面刻线图；

图6c为反面刻线图；

图6d为反面表贴元件布局图；

图7为机壳结构图。

图1a为一实施例框图，其中整流部件65、电容68及DC-DC转换部件66是开关电源所固有的。所增加的是后备电源52，包括电池充电器56、电池58、升压转换电路60、逆变器10和继电器54。在交流输入70正常情况下，显示器64由交流供电。当转为后备工作时，由继电器54与逆变器相连以供电。正常供电时，交流AC经整流器65及电容68沪波后，变为高压直流，再由转换器66产生电脑所需各种直流电压。同时电池充电器56把高压换为对电池58的充电电压。当交流输入过高或过低时，单片机检测后，启动升压转换电路60产生高压输出到转换器66的输入端，以维持直流电压正常输出。当交流无输入时，大电容68可维持VDC电压缓慢衰减，而转换电路66允许较大的输入电压变化范围。断电后，电容68可维持20毫秒以上的正常输出，而从断电检测至电池升压最多只需4毫秒，因此可充分保证直流输出不间断。同样，对显示器的后备供电，由于检测和驱动继电器54动作延时约为5毫秒，大大低于显示器内部高压直流的电压维持时间。这就保证显示器在转换过程中无闪烁现象。

图1b为另一实施例：

为进一步实施ATX标准，开关电源能产生两种后备交流输出的电路结构。ATX电源不同于过去的开关电源之处在于它有一个独立的后备电压方框67，它能输出+5V(SB)，如图1b中92所标示。以供网络管理及有关电路使用。另外由转换器66增加一路3.3V的直流输出以供主机板的低压节能电路使用，此电压可由电脑发来的PS-ON信号控制其输出或关闭如图1b中90所标示。电池充电器56的输入由转换器67产生的另一路电压提供。这样即使在电脑不工作时(PS-ON＝0)，只要有交流输入，也可对电池不停充电，以保证电池经常处于充足状态。

图1b也揭示了如何沿用开关电源固有的电压选择开关59实现220V/110V选择输出问题：在220V电压系统中，交流电压经整流器65产生高压直流VDC，幅度相当于AC输入L、N二端峰值电压。此时，选择开关合向左端，当电网为110V时，选择开关59合向右端。交流输入一端N与整流器65输出的电压中点(VDC/2)连接。当交流输入端L电位高于N端时，整流器向位于上端的电容68’充电。当L端电位低于N端时，交流输入经整流向位于下端的电容68”充电。这样，两种不同的输入交流可整流产生相同的直流电压VDC。利用此双刀双掷选择开关，逆变器10的全桥电路(图1C)的直流高压端A(图1C-14)连至开关59的另一公共点，其对应的两端分别连接VDC和VDC/2。这样，逆变器10在后备工作时提供给显示器的交流电压值能自动适应(调整)不同电压系统。为实现上述方法，还需在后备工作时，升压电路60应能同时把电池电压VB升高并向VDC和VDC/2供电，使其保持二比一的电压比例。这种升压转换电路可以有两种方式：图2a为Fly back回扫电路的实例，升压变压器T_2a次级绕组被等分为2组，并通过各自串联的二极管与电容68’和68”相连。这种升压电路由于变压器必须加气隙而增加了漏感损耗，效率约为80％。升压电路另一实例如图2b所示，这是推挽升压电路，效率可达90％以上。逆变器次级绕组等分为二，并通过四只整流二极管同时向电容68’和68”供电。以上二例的特点是采用与简单电压转换电路相同的变压器工艺和等量元件，实现二组等分电压输出。可在不同功率的二组输出时，保持VDC电压的稳定和电容68’及电容68”二端电压的对称关系。

所述电源的控制电路要完成诸多功能：如交流电压检测；后备状态转换及复元；工作状态和电池状态的报警；交流输入和电池充电的过压保护；市电频率的检测及后备工作时序与市电同步；与电脑实现双向通讯和进行控制的能力等。这些功能如用一般电路设计则难以完成。本实用新型选用功能强、尺寸小、存贮量大的单片机，并充分运用该类元件的开发工具予以实现。以下介绍实施方法：

单片机输入三个模拟电压量，通过A/D口(模拟-数字)将三电压量化为数字。在单片机内实现电压检测、比较和控制。这三个模拟电压分别为交流输入70、电池电压58和整流电压VDC。单片机另一重要输入参数是把交流输入电压换为标准逻辑电压。图3a表示当交流输入电压L端大于N端时(V_L＞V_N)，逻辑电路输出为高电平。反之，输出低电平。

利用以上测得数据，单片机可判断电源是220V还是110V，是50周频还是60周频。这是本实用新型在工作开始就要确定的，因为只有准确分清电压种类才能对不同输入做不同量值比较；只有确知工作频率，才能准确选取并测试其峰值电压。同时在后备工作时产生与市电同频的逆变电压。

判断电压与频率必须单独进行，因为不是所有国家均采用220V/50Hz或110V/60Hz的制式。以下说明单片机检测和判断市电电压与频率的标准方法：

首先区分频率，交流电压从L与N端输入，经电压衰减送入低压逻辑电路比较器的输入端。当V_L＞V_N时(即交流正弦波的前半部分)，比较器输出高电位，后半波输出低电位。这个逻辑电位的周期就是电网的工作周期。50Hz为20毫秒，60Hz为16.66毫秒。图3b表示利用两个周期差，单片机从逻辑电位正脉冲边沿开始计时，经18.33毫秒延时，再检测该电位，如为低电位则是50Hz，反之为60Hz。选通时间取18.33毫秒是在50与60Hz周期的平均值，即下一周期二个不同上升边沿的中间值。同时由于电网频率稳定性高，而单片机定时器误差在微秒范围，因此可准确确定电网频率。频率确定后，单片机按不同频率使用不同选通时间读取电压峰值及产生其他工作时序。

频率确定后，单片机仍按每周期与电网同步，即单片机的每个工作周期总是从由电网取样正逻辑上升边沿开始。方法是在每周期正逻辑上升边沿的前后留出一段时间如正负1毫秒。在此时间内，单片机不断检测该逻辑电位上升边，检测到以后，即开始一周期工作。

电压的区分方法：交流电压经A/D口可把电压波峰值取入单片机。同时另一A/D口把经整流后的高压VDC取入，对220V系统，VDC电压应等于或接近交流电压峰值。而110V的电压峰值应为VDC的一半，因此把二路输入电压实时取样并进行比较就能准确区别二系统。具体方法是：若VDC＞1.5Vp(Vp为电网峰值电压)即为110V，否则为220V。

单片机经上述初始化后开始执行以下任务：

1.交流输入检测和转换：

在交流输入电压过低或过高时都要即时切断电源，启动后备电路。在确定转换电压时要考虑到满足各种不同电压标准，同时附合国际对电网供电变化范围的要求。对220V系列，最低电压是200V(澳门)，最高是240V(英联邦)。正常电网供电范围是过压≤+10％，欠压≥-15％。如按某一种电压设计，例如200V，则过压保护应为220V。显然不合理，因大多数地区220V是正常值。由于开关电源有较大电压范围，因此本电路采取以下原则：过压保护电压按最高电压确定。即240V+10％，即264V。欠压按最低电压确定，即200V-15％为170V。这样对220V电网不论标准电压多少，只要在200-240V之间，都能满足电网变化范围，提供有效保护。

返回电压确定：在后备状态下，单片机仍保持不断检测交流电压，以使电网供电正常后，返回正常工作状态。这个电压取值一般要比转后备电压为高(欠压保护)或低(过压保护)，以避免因电网电压在转换值附近摆动时，不间断电源在后备与正常之间来回跳动。特别是供电能力较弱的电网，其电压受负载影响大，在欠压保护时一般不间断电源就会出现上述现象，对过压则正相反。因此欠压返回电压取高于后备转换电压15～20V，即185V～190V。而过压返回取低于后备转换电压5V，即259V。

本电源引入了一个新的保护方式，叫“进入电压”。当该电源刚连接电网时，如电网电压过高或过低，此时单片机在初始化中检测到此现象，并将报警。目的是建议用户不要打开电脑工作，因一旦开机，立即转后备会过早消耗电池能量。只有当电网电压达到“进入电压”后，单片机才进入正常运行。此“进入电压”值选择接近返回电压。进入电压保护作用的例子是在110V电压环境下，如果电源选择开关错误地放大220V，当插上电源后，由于单片机检测到的输入电压(110V)是设定电压(220V)的一半，立即发出报警信号，表示进入电压过低，同时不做任何后备转换。如无这一措施而做后备转换，逆变器将输出220V(而非110V)，从而把显示器烧坏。

继电器动作时间由单片机控制，主要依据是要求继电器的触点无论在开断和接通时，电流为零。这样继电器触点将不受电弧损坏，在正常转后备工作情况下，由于检测市电的选通点在电压峰值及前后±1.5毫秒的时间，而继电器动作时间为3～5毫秒，这样在电压偏低转后备时，检测到的时间在峰值附近。而继电器断开时间必然在过零点附近，因为整流输入电路其输入电流很窄，集中在电压峰值前后宽3毫秒处，在零点前后3.5毫秒内，输入电流为零。交流恢复正常时，单片机首先与市电同步，并且要求连续数十周期电压均达到返回电压后，才控制继电器接通交流电压。时间选择使触点接通时间在电网电压过零附近，供逆变器输出的触点也要得到保护。其方法是必须等继电器触点接通后，才启动逆变器。同时在恢复电网供电时，必须先关闭逆变器，才在过零点断开逆变器触点，接通连接电网触点。

2.报警功能：使用单片机后使电路大大简化，由于有各种不同报警的时间组合，用分立元件需许多定时电路。现在都由单片机内部根据不同状态输入条件，产生不同报警时序，只要一个输出用于控制峰鸣器的开关。

3.脉宽调制功能(PWM)：图2a的Fly back升压电路中，开关管的控制是由单片机脉宽调制输出实现。电路设计使升压电路的输出功率与电路中的功率开关Qa的导通时间成正比。Qa导通时间越长，变压器T_2a初始电流越大。Qa关断时，初始电感所贮存的能量L₁C₁ ²/2转送入次级高压端。初级漏感所存能量经D₁，D₂吸收并部分返回电源V_B。本实施例设调制周期为20微秒，Qa导通最长时间为10微秒，最大输出功率为160W。工作原理是在后备时，单片机检测直流电压VDC，并输出一定宽度脉冲控制Qa导通。经过若干周期，如VDC电压下降，说明Qa输出功率低于负载功率，导通脉冲宽度不够。单片机即根据二个电压之差调整脉冲宽度，差值越大，宽度增加越多。如VDC电位太高，则应把驱动Qa的脉冲调窄，甚至为零。因为后备时，用户可能关掉电脑和显示器，使负载为零。这种由单片机定时输出控制开关的好处是其高频瞬态干扰可由单片机躲开，即单片机作定量读取交流电压，电池电压等模拟量时，其选通时间可选在脉冲关闭的半周内进行。甚至在选通时，停止功率开关工作一至二周期。由于时间极短(只有几十微秒)，VDC电压不会有明显下降(下降值ΔV约0.1V，在最大负载下)。

4.通讯功能：

所述单片机具有标准串行通讯功能，设有发送Tx和接收Rx端口，通过编程可设定波特率和停止位。这二个端口可一次发送和接收八位二进制数据。还有三个电位串行口，二路由电源发送到电脑，信号为CTS和DCD。一路由电脑发至电源DTR，参见图4。

二个数据串行口的作用如下

1.Tx：由单片机向电脑发如下信息：

1.1交流电压标准：110V或220V；

1.2交流频率标准：50周或60周；

1.3交流供电状态：市电正常或后备状态；

1.4电池电压；

1.5市电电压值；

1.6本电源版本编号。

2.由电脑向电源的单片机发送命令：

2.1自测试命令：在市电正常时，用户可用此命令检查电源后备保护功能是否正常，见图5a。并可从屏幕观看到电池后备能力，见图5b。

2.2自动关机功能：当从停电转入后备工作时，如在10秒内没使用键盘，为节省电池，可发命令关电源后备电路。此功能可由用户通过电源管理菜单选择自动执行，也可在后备过程随时通过“集成保护电源”命令程序执行。

2.3电脑搬家管理功能：当需将电脑由原工作地移至另一地时，通常要拔出电源插头。在此情况下，相当于停电而会转入后备状态，给搬家带来麻烦。此时用户可通过屏幕按钮选择“关闭本电源保护功能”(见图5a)即可实现“停电”不转后备。

2.4后备工作关闭显示器：有的电脑在工作过程中无人看管，也不用显示器。例如服务器，这样可大大节省电池，延长后备时间。如显示器已打开而后备时，用户认为不需要，可用屏幕管理上的“电池后备时关闭显示器”按钮实现(图5a)。

三络电位串行口的作用如下：

信号CTS：位置为RS-232，9针串行口的第8针，由电源发送到电脑，表示电源工作状态。高电位为电网正常，低电位为后备工作状态。

信号DCD：针号1，由电源发送至电脑，表示电池状态。高电位的电池电压正常(＞11V)，低电位表示电池电压低(≤11V)，通知电脑可执行关机处理程序。

信号DTR：由电脑发送至电源，执行电源关闭功能。

图4是电源单片机与电脑之间串行口连接示意图，由于处于不同电压等级，即单片机在高压端，电脑在低压端，信号通过光耦器件隔离。关于通讯功能，可补充以下背景：过去电脑使用的开关电源，只有在电网正常时为电脑供电，它不具备电源管理和数据保护功能。随着网络的发展，数据共享对信息的正确性和流通性有更高要求，形成电脑及其贮存数据的破坏主要危险来自电源。在电脑性能越来越强，结构更加复杂情况下，美国微软公司和intel公司在推出一代又一代新的电脑软硬件技术的同时，提出了“不间断电源”服务程序。对数据实现保护，制定了不间断电源与电脑间相互通讯的标准，配置了管理协议。本电源的三个串行口正是按该协议规定标准实现的，同时增加二个数据口，给用户提供更详细的供电状况介面和更全面的电源管理方法，图5a为其中用屏幕按钮选择多种保护功能图，图5b为供电状况屏幕介面图。

电池的全新设计及充电方法的改进：

本实用新型的突破之一是把后备电池同时集成在开关电源内，置放于电脑机箱内部，这时，对电池的寿命和放电能力提出了很高标准。国外一般电脑三年更新一次，电池有三年工作寿命保证，即可满足要求。国内用户使用期限会更长，为3-5年。因此必须设法延长电池工作寿命，降低因更换电池的停机概率。在特定空间内，电池外型尺寸已定，长，宽，高限定在140mm，102mm和32mm。这尺寸无现成电池，而按此尺寸设计的普通铅酸密封电池，其标准放电能力为12V3安时，只能给一台电脑后备供电4分钟，低于国家标准对不间断电源后备时间大于5分钟的要求。通过与不同电池生产厂的密切配合，已研制成二种性能大幅提高的产品，同时在充电方法和电池检测方法上作了改进。

电路板布线的改进：

1.采用双面刻线电路板，图6b，图6c为印刷板正反面刻线图；

2.在电路板背面使用表贴元件(SMD)，放置小功率低压元件，图6d为表贴元件布局图；

3.高压与低压隔离带上放置变压器及光耦隔离元件，图6a为元件布局图；

4.合理置放损耗大的高温元件以节省散热片所占空间；

5.在交流输出电路上使用新型逆变器，用可控硅作全桥电路，布线面积小；

通风设计改进：

重新设计通风槽使气流集中经过二个大散热片。图7为本实用新型机壳结构图。

本实用新型有益效果：

1.开关电源、不间断电源及电源与电脑的相互通讯电路集成于一体，整个装置设计在一个标准开关电源大小体积内，使用操作均方便；

2.使电脑得到全方位供电保护；

3.适用不同制式的交流电压与周频；

4.设计附合国际标准。

Claims (4)

1.一种集成保护电源，包括整流部件、滤波电容及直流—直流转换部件，其特征在于还包括换接正常供电状态与后备供电状态的继电器、电池充电电路、电池、升压转换电路，将直流电压转换为交流电压的逆变器(当显示器的输入不一定非要交流不可的情况下，可以省略该逆变器)以及由单片机构成的控制电路，所有电路及器件安装于电脑机箱中，并且电网的交流电压端及逆变器分别与继电器连接，以便向显示器供交流电压，整流部件与电池充电电路连接，电池与升压转换电路连接，升压转换电路与逆变器连接。

2.如权利要求1所述的集成保护电源，其特征在于所述单片机控制电路为完成多种控制功能，应选择功能强，尺寸小且存贮量大的单片机。

3.如权利要求1所述的集成保护电源，其特征在于电路板采用双面刻线形式且变压器及光耦隔离元件安装于高压与低压隔离带上以利合理使用有限空间，通风槽位置使得集中经过两个大散热片以利通风散热。

4.如权利要求1所述的集成保护电源，其特征在于所说的逆变器的直流输入端通过双刀双掷开关与回扫电路或推挽电路的两个电压输出端连接。

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