TWI594112B - 嵌入式電腦 - Google Patents

Description

嵌入式電腦

本發明係關於一種嵌入式電腦，並且特別地，關於一種具有寬壓直流電源供電方式及乙太網路供電方式並且可相互備援的嵌入式電腦。

高度整合的高效能嵌入式電腦廣泛應用於各個領域，如工業/能源/醫療/車載等應用。建置佈署這類電腦系統通常必須搭配電網建置，以提供電腦供電使用。雖然電網佈署日趨成熟，但仍有許多無電網佈署或電網佈署不足之區域，常常因所述之電網建置成本過高或是因為其他因素而導致佈署不易等問題產生。

工控系統主機(x86、ARM..等系統)的電力來源往往都是使用直流電，然因環境現有的電源多為交流電，架設主機時必須額外使用交流轉換直流變壓系統，其使用環境可能如下：

一、鐵道/公路路徑監控系統：若路徑上只有高壓交流電，如需部署監控系統則需額外裝設價格昂貴的直流系統及複雜線路。如：美國許多內陸鐵道或公路於人煙稀少的路段增設監控系統時，都需要有額外的昂貴直流系統及複雜線路。

二、公司內部影像分析監控系統：於每個樓層設有主機 並透過網路相互連結，安裝上除網路線之外還必須有交流轉直流變壓系統，若同時需要有不斷電系統時，各系統還需獨立安裝或使用複雜的不斷電系統架構。

如果電腦的供電能額外透過乙太網路提供，將大幅改善以上問題，降低電腦系統的佈建門檻，可有效提升各個領域中提供關鍵任務服務的系統之普及率以及其涵蓋率。

然而，若將現行工控系統主機由原本只能使用直流電源變更為可額外使用乙太網路供電(Power over Ethernet,PoE)架構提供系統用電，將會碰到下列問題：

1.原有的直流電源多為9V~48V，新增之乙太網路供電為直流48V~57V，在不同的直流電源同時供電下，常因電壓準位的不同而造成電流逆流以致燒燬較低壓端電源供應元件。

2.二種不同直流電源要能相互備援，當其一電源斷電時，易造成供電電壓跳動以致系統關機。

3.相互備援容易在其一電源斷電時，另一電流無法即時供給足夠電流，造成其一電流斷電時，系統即斷電。

由此可見，上述習知技術仍有諸多缺失，實非一良善之設計，而亟待加以改良。有鑑於此，本發明將提出一種嵌入式電腦以同時滿足寬壓直流電源供電方式及乙太網路供電方式並且可相互備援之需求。

本發明之一範疇在於提供一種嵌入式電腦。根據本發明 之一具體實施例，本發明嵌入式電腦包含有一直流電源輸入模組、N個乙太網路輸入模組及一電流平衡控制輸出模組，其中N為正整數。直流電源輸入模組將所接收之一外部直流電調整為具有一預定電壓之一輸入直流電。每一乙太網路輸入模組可將所接收之一乙太網路電源(Power over Ethernet,PoE)調整為具有該預定電壓之一輸入乙太直流電。電流平衡控制輸出模組電連接於直流電源輸入模組與每一乙太網路輸入模組，用以調控輸入直流電與每一輸入乙太直流電之比例以得一輸出電流。

其中，當輸入至電流平衡控制輸出模組的輸入直流電之實際電壓或輸入乙太直流電之實際電壓大於預定電壓之一誤差範圍時，電流平衡控制輸出模組得以斷開對應之直流電源輸入模組或乙太網路輸入模組。

電流平衡控制輸出模組得以將直流電源輸入模組之輸入直流電及乙太網路輸入模組之輸入乙太直流電做電性隔離。

此外，乙太網路輸入模組包含一乙太受電控制器，用以將乙太網路電源之電壓調整至預定電壓。

再者，乙太受電控制器得以將乙太網路電源調整至功率至少為乙太網路供電協定IEEE802.3at規範之25.5瓦之輸入乙太直流電。

相較於習知技術，本發明嵌入式電腦可利用直流電源輸入模組及複數個乙太網路輸入模組將寬壓外部直流電及乙太網路電源轉換成所需電流，並透過電流平衡控制輸出模組調配每一輸入電流之 比例以達到相互備源及穩壓以降低設備建置需求及費用。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述以及所附圖式得到進一步的了解。

1‧‧‧嵌入式電腦

12‧‧‧直流電源輸入模組

121‧‧‧直流輸入端

122‧‧‧直流逆止保護電路

123‧‧‧電壓調節隔離式整流器

14‧‧‧乙太網路輸入模組

141‧‧‧乙太輸入端

142‧‧‧乙太逆止保護電路

143‧‧‧乙太受電控制器

16‧‧‧電流平衡控制輸出模組

17‧‧‧隔離式整流器

18‧‧‧電流平衡控制器

21‧‧‧鐵道

22‧‧‧終端設備

24‧‧‧電腦設備

26‧‧‧乙太網路

C₁‧‧‧積體電路板

圖一係繪示本發明嵌入式電腦之功能方塊圖。

圖二係繪示習知鐵道監控系統示意圖。

圖三係繪示使用本發明嵌入式電腦之鐵道監控系統示意圖。

為使本發明之目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖並舉實施例，對本發明作進一步詳細說明。

請參閱圖一，圖一係繪示本發明嵌入式電腦1之功能方塊圖。根據本發明之一具體實施例，本發明嵌入式電腦1包含有一直流電源輸入模組12、N個乙太網路輸入模組14及一電流平衡控制輸出模組16，其中N為正整數。直流電源輸入模組12將所接收之一外部直流電調整為具有一預定電壓之一輸入直流電。每一乙太網路輸入模組14可將所接收之一乙太網路電源(Power over Ethernet,PoE)調整為具有預定電壓之一輸入乙太直流電。電流平衡控制輸出模組16電連接於直流電源輸入模組12與每一乙太網路輸入模組14，用以調控輸入直流電與每一輸入乙太直流電之比例以得一輸出電流。

直流電源輸入模組12具有一直流輸入端121，用以接收外部直流電，直流電源輸入模組12另包含一直流逆止保護電路122，連 接直流輸入端121，用以單向限制外部直流電之電流方向。

直流電輸入模組12另包含一電壓調節隔離式整流器123，用以將外部直流電之電壓調整至預定電壓。所述之預定電壓可為終端所需使用之電壓，如12V。並且，電壓調節隔離式整流器得以電性隔離外部直流電與輸入直流電。

乙太網路輸入模組14具有一乙太輸入端141，用以接收乙太網路電源，乙太網路輸入模組14另包含一乙太逆止保護電路142，連接乙太輸入端141，用以單向限制乙太網路電源之電流方向。

乙太逆止保護電路142得為一橋接式逆止保護電路，以避免乙太網路(如：RJ45)之內部電路線互相燒毀。

此外，乙太網路輸入模組14包含一乙太受電控制器143，用以將乙太網路電源之電壓調整至預定電壓。

再者，乙太受電控制器143得以將乙太網路電源調整至功率至少為乙太網路供電協定IEEE802.3at之25.5瓦之輸入乙太直流電。其中，可為具有36瓦之輸入乙太直流電。

同時，若乙太受電控制器143所調整之功率不足至預定功率，此一乙太網路電源之電流將無法再往後傳遞以避免後端裝置的擾流產生。

於實際應用中，習知乙太受電控制器(PoE PD Controller)可將42.5~57V的乙太網路電源輸出為具25.5瓦功率的直流電，而本發明可使用習知乙太受電控制器的結構下調整其電阻及對應結構，以產生較大供電瓦數之輸入乙太直流電以符合系統需求。

本發明嵌入式電腦1另包含M個隔離式整流器17，每一隔離式整流器17設置於乙太網路輸入模組14與電流平衡控制輸出模組16間，用以將該等輸入乙太直流電做電性隔離，其中M為正整數。

於實際應用中，本發明嵌入式電腦1可另外加一散熱器，用以協助嵌入式電腦1工作時的散熱。其中，散熱器可為一散熱片，設置於乙太受電控制器143上，用以協助嵌入式電腦1之一發熱源散熱，以促使本發明之工作溫度維持在85℃以下。

當然，散熱器亦可為一散熱風扇或散熱流道，安裝在任何可能發生之發熱源處，藉以由氣體流通之方式保持嵌入式電腦1之工作溫度環境。

於實際應用中，因散熱器可使嵌入式電腦1保持一定的工作溫度，故可使本發明嵌入式電腦1設置於較偏遠或環境嚴苛處，以避免因散熱問題造成嵌入式電腦1壽命降低而須時時更換。

本發明嵌入式電腦1另包含一電流平衡控制器18，設置於該等隔離式整流器17與電流平衡控制輸出模組16間，用以將該等輸入乙太直流電混合並穩流後送至電流平衡控制輸出模組16。

在實際應用中，電流平衡控制器18用以平衡來自連接每個前端隔離式整流器17的電流，避免過度抽取單一電流造成供應功率不足或因此毀損裝置。

實際應用中，電流平衡控制輸出模組16可藉由調整輸入乙太直流電與輸入直流電所佔的配比，以達到兼具散熱且相互備援的功效。

其中，當輸入至電流平衡控制輸出模組16的輸入直流電之實際電壓或輸入乙太直流電之實際電壓大於預定電壓之一誤差範圍時，電流平衡控制輸出模組16得以斷開對應之直流電源輸入模組12或乙太網路輸入模組14。

於實際應用中，該誤差範圍可為±10%，即若預定電壓為12V時，當電流平衡控制輸出模組16所接收之輸入直流電電壓為10V時，電流平衡控制輸出模組16會斷開直流電源輸入模組12。

於實際應用中，電流平衡控制輸出模組16亦可調整輸入乙太直流電及輸入直流電至終端電流之配比，如：輸入直流電佔所有輸出至終端的功率的50%，而輸入乙太直流電為其餘功率的50%，藉以降低乙太網路輸入模組14之需求，同時因而降低發熱源的產生。一實施例中，假設終端功率需要144瓦，而每一乙太受電控制器143可提供36瓦之乙太輸入直流電，可藉由兩個乙太網路輸入模組14以產生72瓦之需求，另使用直流電源輸入模組12以產生剩餘72瓦之終端需求。

並且，因為直流電源輸入模組12與乙太網路輸入模組14同時工作，當其一輸入端發生問題導致電流平衡控制輸出模組16斷開該來源時，剩餘的模組可及時補充所需功率以避免終端設備所需功率不足的問題發生。

於實際應用中，為確保終端設備的穩定性，嵌入式電腦1亦可包含一不斷電系統(UPS)，藉以保證終端設備的功率需求無虞。

此外，電流平衡控制輸出模組16得以將直流電源輸入模組12之輸入直流電及乙太網路輸入模組14之輸入乙太直流電做電性隔 離，以避免前端之電壓電流不穩造成輸出模組受損。

所述之電流平衡控制輸出模組16得為一理想二極體控制器(Ideal Diode Controller)。

於實際應用上，電流平衡控制輸出模組16、隔離式整流器17及電流平衡控制器18可統整為一單一積體電路板C₁，藉以減少裝置體積以提升處理功效並減少發熱及散熱的問題。

請參閱圖二及圖三，圖二係繪示習知鐵道監控系統示意圖，圖三係繪示使用本發明嵌入式電腦1之鐵道監控系統示意圖。於一實際中，本發明嵌入式電腦1可使用於一鐵道系統。因鐵道21通常必須經過廣大之無人區域，而鐵道系統沿線需要的電腦設備24(此處的電腦設備24可兼具將電網之交流電轉直流電功能)及終端設備22(如：網路監視器)常會遇到電網不普及導致供電不易的問題。而網路傳輸系統往往伴隨著鐵道21旁架設，此時可藉由本發明嵌入式電腦1透過乙太網路26供電以改善傳統電源線路異常時產生功率不足的問題。亦可透過電流平衡控制輸出模組16產生多個輸出電流個別送至終端設備22以降低設備需求量。同時，可利用PoE技術連接嵌入式電腦1與終端設備22以再次減少數據傳輸與供電設備之所需設備量。

此外，由於許多先進國家雖然已經有完善的基礎設施，但由於勞工的成本偏高，即使是單純的增加電源配置，也需付出相當的成本。例如美國許多地區增加電源插座時，規定必須透過工會找合格的技師，看似單純的動作即須花費至少需要數百美元，大幅增加電腦系統的建置成本。若利用嵌入式電腦1透過乙太網路供電給電腦，只 需簡單的網路線配置就能建置電腦系統，將有效降低系統總成本。

再者，在某些環境中，即使增加電源配置不難，但基於其他的考量，增加或是變更電源配置仍會有一定的限制。這類狀況通常發生在高度精密科技的工廠或是醫療的環境，基於安規的考量，如果需要對於電源配置做任何的修改，往往需要大費周章。本發明嵌入式電腦1透過乙太網路供電啟動嵌入式系統方式能提供便捷並且安全的方式，解決嵌入式系統的供電問題。

相較於習知技術，本發明嵌入式電腦可利用直流電源輸入模組及複數個乙太網路輸入模組將寬壓外部直流電及乙太網路電源轉換成所需電流，並透過電流平衡控制輸出模組調配每一輸入電流之比例以達到相互備源及穩壓以降低設備建置需求及費用。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

1‧‧‧嵌入式電腦

12‧‧‧直流電源輸入模組

121‧‧‧直流輸入端

122‧‧‧直流逆止保護電路

123‧‧‧電壓調節隔離式整流器

14‧‧‧乙太網路輸入模組

141‧‧‧乙太輸入端

142‧‧‧乙太逆止保護電路

143‧‧‧乙太受電控制器

16‧‧‧電流平衡控制輸出模組

17‧‧‧隔離式整流器

18‧‧‧電流平衡控制器

C₁‧‧‧積體電路板

Claims (9)

1. 一種嵌入式電腦，其包含有：一直流電源輸入模組，將所接收之一外部直流電調整為具有一預定電壓之一輸入直流電；N個乙太網路輸入模組，每一乙太網路輸入模組可將所接收之一乙太網路電源(Power over Ethernet,PoE)調整為具有該預定電壓之一輸入乙太直流電，其中N為正整數；以及一電流平衡控制輸出模組，電連接於該直流電源輸入模組與每一乙太網路輸入模組，用以調控該輸入直流電與每一輸入乙太直流電之比例以得一輸出電流；其中，當輸入至該電流平衡控制輸出模組之該輸入直流電之實際電壓或該輸入乙太直流電之實際電壓大於該預定電壓之一誤差範圍時，該電流平衡控制輸出模組得以斷開對應之該直流電源輸入模組或該乙太網路輸入模組。
2. 如申請專利範圍第1項所述之嵌入式電腦，其中該電流平衡控制輸出模組得以將該直流電源輸入模組之該輸入直流電及該乙太網路輸入模組之該輸入乙太直流電做電性隔離。
3. 如申請專利範圍第1項所述之嵌入式電腦，另包含M個隔離式整流器，每一隔離式整流器設置於該乙太網路輸入模組與該電流平衡控制輸出模組間，用以將該等輸入乙太直流電做電性隔離，其中M為正整數。
4. 如申請專利範圍第3項所述之嵌入式電腦，另包含一電流平衡控制器，設置於該等隔離式整流器與該電流平衡控制輸出模組間，用以將該等輸入乙太直流電混合並穩流後送至該電流平衡控制輸出模組。
5. 如申請專利範圍第1項所述之嵌入式電腦，其中該直流電源輸入模組具有一直流輸入端，用以接收該外部直流電，該直流電源輸入模組另包含一直流逆止保護電路，連接該直流輸入端，用以單向 限制該外部直流電之電流方向。
6. 如申請專利範圍第1項所述之嵌入式電腦，其中該乙太網路輸入模組具有一乙太輸入端，用以接收該乙太網路電源，該乙太網路輸入模組另包含一乙太逆止保護電路，連接該乙太輸入端，用以單向限制該乙太網路電源之電流方向。
7. 如申請專利範圍第6項所述之嵌入式電腦，其中該乙太逆止保護電路得為一橋接式逆止保護電路。
8. 如申請專利範圍第1項所述之嵌入式電腦，其中該乙太網路輸入模組包含一乙太受電控制器，用以將該乙太網路電源之電壓調整至該預定電壓。
9. 如申請專利範圍第8項所述之嵌入式電腦，其中該乙太受電控制器得以將該乙太網路電源調整至功率至少為乙太網路供電協定IEEE802.3at規範之25.5瓦之該輸入乙太直流電。