电源模块的发展
电源模块的发展范文第1篇
1 概述
随着电力电子技术的发展，各种电子装置对电源功率的要求越来越高，对电流的要求也越来越大，但受构成电源模块的半导体功率器件，磁性材料等自身性能的影响，单个开关电源模块的输出参数（如电压、电流、功率）往往不能满足要求。若采用多个电源模块并联供电，如图1所示，就不但可以提供所需电流，而且还可以形成N＋m冗余结构，提高了系统的稳定性，可谓一举两得。
但是，在电源模块并联运行时，由于各个模块参数的分散性，使其输出的电流不可能完全一样，导致有些模块负荷过重，有些模块过轻。这将使系统的稳定性降低，会给我们的生产和生活带来严重的后果，而且电源模块自身的寿命也会大大缩短。国外有资料表明，电子元器件在工作环境温度超过50℃时的寿命是在常温（25℃）时的1/6。因此，使各并联电源模块的输出电流平均分配，是提高并联电源系统稳定性的一个必须解决的问题。
本文从均流电路的拓扑结构出发，介绍几种传统的并联均流方案，对于其他均流方案（比如按热应力自动均流法），暂不做讨论。对于文中提到的每一种均流方法，都做了详细的介绍，并结合简单电路图，讲述其工作原理及优缺点[1][2][3][4]。在文章的最后部分，对并联均流的发展做了简单的展望。
2 N＋m冗余结构的好处
采用N＋m冗余结构运行，可以提高系统稳定性。
N＋m冗余结构，是指N＋m个电源模块一起给系统供电。这里N表示正常工作时电源模块的个数，m表示冗余模块个数。m值越大，系统工作可靠性越高，但是系统成本也会相应增加。
在正常的工作情况下，由N个模块供电。当其中某个或者某些模块发生故障时，它们就退出供电，而由m个模块中的一个或全部顶替，从而保证整个系统工作的持续性及稳定性。
以某个输出电流为100A的系统为例来说明冗余结构运行的好处，这里只讨论1＋1，2＋1，3＋1三种工作方式，如图2所示。各电源模块的工作情况由Kn的闭合情况决定。
如果采用1＋1冗余结构，即采用两个输出电流为100A的电源模块并联供电。正常情况下只有一个模块工作，当它发生故障，退出工作时，另一个模块开始工作，系?仍然能正常运行。
如果采用2＋1冗余结构，即采用3个输出电流为50A的电源模块并联供电。正常情况下只有两个模块工作，当其中之一发生故障，退出工作时，另一个模块开始工作，系统仍然能正常运行。
如果采用3＋1冗余结构，即采用4个输出电流为33A的电源模块并联供电，正常情况下只有3个模块工作，当其中之一发生故障，退出工作时，另一个模块开始工作，系统仍然能正常运行。
比较上面三种工作方式，采用2＋1这种方式最好，这是因为，1＋1方式中有一半的功率被闲置，而3＋1方式中使用元器件太多，成本过高，经济性不好。
3 几种传统的并联均流方案
3．1 下垂法
下垂法全称外特性下垂法，也叫做斜率控制法。在并联电源模块系统中，各个电源模块是独立工作的。每个模块根据其外特性以及电压参数值来确定输出电流。在下垂法中，主要是利用电流反馈信号来调节各模块的输出阻抗，也就是调节Vo=f(Io)的斜率，从而调节输出电流。其工作原理图如图3所示。
Ri为任一并联模块输出电流Io的采样电阻，经电流放大产生电流反馈电压信号Vi，Vf为输出电压反馈，Vr为Vi与Vf的和，Vg为控制基准电压（5V），Ve为误差电压。当某一模块输出电流Io偏大时，电压与电流反馈合成信号Vr=Vi＋Vf增大，与Vg进行比较后，使Ve减小，Ve反馈回电源模块的控制部分，使该模块的输出电压Vo下降，则Io减小，即Vo=f(Io)外特性下调。每个模块各自调整自己的输出电流，就可以实现各模块的并联均流。
这种方法的优点是简单，不需要外加专门的均流装置，属于开环控制。缺点是调整精度不高，每个模块必须进行个别调整，如果并联的模块功率不同的话，容易出现模块间电流不平衡的现象。
3．2 主从电源法
主从电源法是将并联的多个电源模块中的一个作为主模块，其他模块跟随主模块工作。具体工作过程是：主模块的工作电流与输出反馈信号进行比较，将差值信号反馈回各电源模块（包括主模块和从模块）的控制电路，从而调节各模块的输出电流大小。
如图4所示，设模块1为主模块，其输出电流的采样电压为V1，其他模块输出电流的采样电压为Vn。当某一模块输出电流偏大时，相应的Vn增大，与V1比较，得到的Ven减小，反馈给该模块的控制电路中，减小其输出电流，从而实现均流。
主从模块法的优点是不须外加专门的控制电路。其缺点是，各个模块间需要有通信联系，连线比较复杂；其最大缺点是，一旦主模块出现故障，则整个电源系统将崩溃，所以，不能用于冗余结构中。
3．3 自动均流法和最大电流法
自动均流法也叫单线法，其工作原理是，将各电源模块都通过一个电流传感器及一个采样电阻接到一条均流母线上。
如图5所示，当输出达到均流时，输出电流I1为零。反之，则电阻R上由于有电流I1流过，在其两端产生一个电压Uab，这个电压经过放大器A输出电压Uc，它与基准电压Ur比较后的ΔU，反馈回电源模块的控制部分，从而调节输出电流，最终实现均流。
自动均流法的优点是，电路简单，容易实现。缺点是，如果有一个模块与均流总线短路，则系统就无法均流，而且单个模块限流也可能引起系统不稳定。
若将图5中的电阻用一个二极管代替，二极管正端接a，负端接b。这样，N个并联的电源模块中，只有输出电流最大的那个模块的电流才能使与它连接的二极管导通，从而均流总线电压就等于该模块的输出电压，其他模块则以均流总线上的电压为基准，来调节各自的输出电流，从而实现均流。
如果单纯以二极管来代替采样电阻，则由于二极管本身有正向压降存在，所以，主模块的均流精度会降低，而从模块不受影响。这里可以用图6所示的缓冲器来代替，从而提高均流精度。
采用这种均流方式，参与均流的N个电源模块，以输出电流最大的为基准，这个最大电流模块是随机的，这种均流方法也叫做“民主均流法”。由于最大均流单元工作于主控状态，别的单元工作于被控状态，所以，也把这种方法叫做“自动主从均流法”。
美国Unitrode公司开发的UC3907系列集成均流控制芯片就是采用这种工作方式。
UC3907芯片使多个并联在一起的电源模块分别承担总负载电流的一部分，并且所承担的负载电流大小相等。通过监测每个模块的电流，电流均衡母线确定哪个并联模块的输出电流最高，并把它定为主模块，再根据主模块的电流调节其他模块的输出电流，从而实现均流。
3.4 外部控制器法
外部控制器法就是在各并联电源模块之外，加一个专门进行并联均流控制的外部模块，如图7所示。
每个模块的输出电流采样，转化为电压信号，与给定的电压Vcc进行比较，所得差值输入到各电源模块的控制部分，这样就可以实现各模块输出电流的并联均流。
这种工作方式，需要外加专门控制器，加大了投资，而且控制器与个电源模块要进行多路连接，连线较复杂，但是均流效果非常好，各模块输出电流基本相等。
4 电源并联均流技术发展的现状及未来展望
电源模块的发展范文第2篇
直流充电模块主要包括蓄电池组、绝缘监测、单元集中监控、单元直流馈电、单元充电模块、交流配电单元等共同组成。由于受到了开关器件性能的影响,因此每个开关电源模块只有几千瓦的最大输出功率,然而在实践中直流系统供电需要几百千瓦。为此,必须要选择并联多个高频开关电源模块的方式确保充电机完成大功率的输出,隔离变压器由于高频化因此具有更小的质量和体积,这样对模块化的实现非常有利。除此之外,选择软开关技术可以使开关损耗得以大幅度减少,并且使变换效率得以提升。在直流系统中绝缘监测可以对正负母线对地的绝缘情况进行时刻监视,如果正母线接地就有可能会导致出现保护的误动作,如果系统在负母线接地的时候出现一点接地的现象,就会导致断路器拒动[1]。
1.2交直流一体化电源系统的通信电源模块
在常规变电站中通信电源往往都是独立设置,从而将稳定可靠的电源提供给运动装置和融信设备。然而这种方式具有较高的设备投资、较大的占用空间等不足,而且其具有与站内直流系统相类似的一些功能,无法使智能变电站网络化、经济化以及简约化的要求得到满足。根据我国电网公司的最新规定,一些变电站必须要选择使用交直流一体化电源系统,不再单独配置通信电源,也就是经过DC/DC变换之后由直流系统向通信设备供电。在直流充电模块中选择冗余技术、均流技术、软开关技术、模块化小型化等高频开关电源技术在通信电源DC/DC变换器中同样适用。
1.3交直流一体化电源系统的UPS电源模块
在站用变压器发生供电故障之后,UPS可以将可靠的电能提供给交换机、五防闭锁机以及后台监控机等重要的负荷。在具体的运行过程中UPS存在着2路输入电源,其在正常的时候经整流、逆变将由交流输入的电能提供给负载。如果中断交流输入,那么在经过逆变后,将由直流输入的电能提供给负载。在UPS中的逆变部分和整流部分仍然对高频开关电源技术进行了应用。除此之外,UPS的非常重要的发展方向就是冗余技术和模块化[2]。
2交直流一体化电源系统均流技术和N+1冗余技术
UPS电源、通信电源和直流充电电源都选择了冗余供电方式并联N+1模块化,N+1冗余技术由于高频开关电源的模块化、小型化和高频化而得到了较快的发展。N+1冗余主要指的是选择N个电源模块并联供电从而使全部负荷的电能需要得到充分的满足,而要想使供电可靠性得以进一步提升,就需要再将一个电源模块并联进来,这样剩下的N个模块在其中的一个模块发生故障之后人仍然可以使供电的要求得到满足。相对于采用单台电源供电的方式而言,采用这种方式具有更高的可靠性。同时,选择热插拨方式能够在系统中随时将故障电源模块退出,这样就确保维护检修工作的方便性[3]。常用的高频并联电源模块均流技术为:以输出阻抗的大小为根据选择均流技术,采用这种方法具有较低的均流准确性,主从均流技术一般需要将一个主模块人为的确定下来,然后与其他的从模块之间开展通信。而民主均流技术并联运行的各个电源模块中并非是人为事先设定主模块,而是以哪个模块具有最大的输出电流为根据来确定,如果某模块而具有最大的输出电流那么其就属于主模块,而从模块就是剩余的模块,采用这种自动设定主模块的方法就可以确保冗余设计的实现。
电源模块的发展范文第3篇
关键词：通信电源；通信网络；可靠性；发展
Abstract: The communications power supply is an important part of the communications network infrastructure, because the base stations located in urban, suburban, and rural location, there is no person on duty, the majority of rural power grid have poor quality, service and repair inaccessible. Therefore, the communication power should have higher reliability and maintainability.Key words: communication power; communications network; reliability; development
中图分类号：F626.5文献标识码：A文章编号：
一、基站通信电源的发展过程与发展趋势
（一）基站通信电源的发展过程
目前我国通信电源普遍采用高频开关电源，相控电源已逐渐被淘汰。我国电源技术的发展是从1963年研制可控整流器开始的，1965年开始研制逆变器和晶体管直流一直流变换器，上世纪80年代引进的开关电源技术在高等院校和一些科研院所进行试验开发，到上世纪80年代中期开关电源产品开始推广和应用，但在通信领域所占比重还比较低。当时开关电源是采用20KHZ脉宽调制（PWM）技术，效率可达65―70%。由于开关电源和相控电源相比具有显著优势，自上世纪80年代末期开始在通信领域大规模推广应用。1994年原邮电部作出重大决策，要求在通信领域推广应用开关电源以取代相控电源。目前国内生产的开关电源采用PWM技术的开关整流器，工作频率大部分在40kHz至100kHz之间。新型磁性材料、变压器等元器件的发展使开关电源进一步小型化。开关电源和相控电源相比，在技术上是一次质的飞跃，不仅可以方便地得到不同大小的直流电压，而且甩掉了体大笨重的工频变压器。由于采用高频功率变换，电源体积重量明显减少，而且技术性能大大提高。由于变换功率的提高，减少了能耗，提高了对能源的利用率。
（二）基站通信电源的发展趋势
由于通信的高速发展，通信基站的数量也在不断增加，新增基站不断向边远农村发展。基站的数量不断增加、分布面不断扩大、电网质量不断下降，这些因素为基站通信电源的运行维护增加了不少困难。同时对基站通信电源的可靠性、故障诊断、系统容错等方面提出了新的更高要求。
1、提高电源的可靠性
由于基站分布不断向偏远地区发展，电源的维修时间在加长。与有人值守的通信局站的通信电源相比，基站通信电源应有更高的可靠性。
2、拓宽电源设备的输入电压适应范围
国家标准规定通信电源的输入电压范围为-15%～+10%，目前从使用情况看，这个电压范围显然不能适应现场应用，输入电压范围即使拓宽到±30%，仍有部分现场不能满足要求，因此基站通信电源的输入电压范围应向更宽的方向发展。
3、采用集中监控系统来提高工作效率
一个城市的基站数量在100至1000之间，如果每站巡检一次需要2个小时，则人工全部巡检一次需要的时间为25至250个工作日。因此，基站通信电源应具有较完善的故障诊断能力和集中监控系统，这样，一方面可以通过集中监控系统完成正常的电源巡检任务；另一方面集中监控系统可以准确诊断电源系统的故障情况，为基站通信电源的维修提供第一手资料，可减少基站通信电源系统的故障维修时间。
4、采取措施提高基站通信电源的过电压保护和防潮、防尘能力
由于大部分基站地处偏远地区，经常受到雷电侵害。并且机房由于无人值守，所以温湿度、整洁度难以保证。于是基站通信电源的过电压保护设计、防潮设计、防尘设计显得日趋重要。基站通信电源的过电压保护设计是保证基站通信电源系统可靠运行的必不可少的环节，雷电对通信设备产生危害的根源在于雷电电磁脉冲，这种电磁脉冲包括雷电流和雷电电磁场。雷电流是产生直击雷过电压的根源，而雷电电磁场则是产生感应雷过电压的根源。对于基站通信设备而言，雷电过电压来源主要包括感应过电压、雷电侵入和反击过电压。实践表明，对基站通信电源的过电压保护设计，要考虑保护元件的可更换性。采用多级过电压保护，具有保护指示与诊断功能的过电压保护装置，是基站通信电源过电压保护发展的趋势。防潮、防烟雾和防霉菌设计称为三防设计。工程上通常选用耐蚀材料，通过镀、涂或化学方法对电子设备的表面覆盖一层金属或非金属保护膜，使之与周围介质隔离，从而达到防护的目的；在结构上采用密封或半密封形式隔绝外部环境；对印制板及组件表面涂覆专用三防漆，避免导线之间的短路，提高电源的可靠性。变压器必须进行浸漆、端封，以防潮气进入引发短路。
5、提高基站通信电源及其监控系统的智能化程度
现代通信电源系统基本上都采用集中管理分散式监控系统，对系统的各种状态量和控制量进行监控，通过网络技术将信息送入监控模块。同时，监控模块还可对电池进行全自动管理，包括电池在线管理、均浮充转换、停电后的来电预限流控制和电池放电测试等。监控模块还可对整流模块电压进行调节和无极限流控制，检测整流模块状态，并根据系统运行的异常情况进行保护和告警。通过监控模块上网，可以在监控网上传输数据，维护人员可进行数据查询等维护工作。
二、避错设计及容错设计方法介绍
（一）避错设计指通过加大功率器件参数的设计余量，提高电子元器件的可靠性、优化系统结构等措施来提高系统的性能的设计方法。
提高元器件的可靠性
通信电源系统是由众多的电子元器件组成的。控制系统的可靠性在很大程度上取决于组成系统的电子元器件的可靠性。采用高可靠的元器件并进行严格的老化筛选、加大功率器件参数的设计余量可以提高通信电源系统性能。
2、系统结构的优化设计
（1）简化系统结构。系统结构越简单，系统的元器件越少，系统的可靠性也就越高。因此在不影响系统性能的前提下，应尽量简化系统结构。
（2）采用固定结构备份。对某些重要的子系统，如电源模块可以采用双重备份的办法来提高通信电源系统的性能。通过备份方式可以减少系统的停机时间，提高系统的可用度。
（3）采用带有自动切换装置的待机结构备份。这种结构在某一子系统出现故障时，由自动切换装置自动切换到所备份的子系统上去。其缺点是要增加一套辅助装置。
（二）容错设计是指在通信电源系统中故障发生时，使故障的影响借助冗余技术而自动抵消，从而使在系统存在故障的条件下，仍能维持为负载提供正确的输出的能力。容错设计主要通过系统的模块冗余、硬件冗余、软件冗余、信息冗余及时间冗余来实现。
三、提高基站通信电源可靠性的有效途径
提高基站通信电源可靠性的途径很多，归纳起来大体上可以分为三类。
（一）通过避错设计技术来提高通信电源的可靠性。但是任何一个系统很难做到绝对不发生故障，对元器件的挑选严格程度又不能无限地高，因此，避错设计对可靠性的提高将会受到很大的限制，有其局限性。
（二）在避错设计的基础上，对系统内部出现的故障，通过容错设计技术消除故障影响，使系统最终给出正确结果。实践表明，容错设计对提高基站通信电源系统的可靠性是十分有效的。对基站通信电源系统来讲，影响其可靠性的主要因素是高频开关电源模块、电源监控、交直流配电等。通过按最坏情况设计和采用高可靠元件及严格控制生产质量等方法，可以提高电源系统的可靠性，但会大大增加系统成本。因此提出了解析冗余容错技术。解析冗余容错技术是利用系统不同部件之间的内在联系和功能上的冗余性，当系统的某些部件失效时，用其余完好的部件承担起故障部件所失去的作用，以维持系统的性能在允许的范围之内。例如在基站通信电源系统中，我们需要检测每一个模块的输出电流和电源系统总的输出电流，当电源系统某一模块的电流检测元件出现故障，而模块本身工作正常时，我们可以通过电源系统总的输出电流减去其余电源模块输出电流之和来计算发生电流检测元件故障模块的输出电流。基于解析冗余容错不需要增加硬件设备，具有成本低和易于工程实现等特点，在容错控制中得到了广泛的应用。
（三）基于故障检测与诊断技术的容错设计
不论采取什么方法来提高通信电源系统的可靠性，系统最终还是会发生故障的，这样故障诊断技术成为提高通信电源系统可靠性的最后一道防线。故障检测与诊断可以在线监控整个系统的运行状态。当通信电源系统发生某些局部故障时，可以迅速报警，并分离出发生故障的单元，以帮助维修人员进行故障排除，防止故障的传播与扩大。基于故障检测与诊断技术还可以构造一种新的容错控制系统。根据故障检测与诊断的信息，可自动排除系统的故障单元，并以通信电源系统现有的完好硬件进行结构重构，以确保系统的稳定运行和安全。
四、通信电源系统的可靠性、可维性与可用性设计方案
通信的高速发展，基站的数量在不断增加，并由城市逐步向偏僻的乡村发展。散落在人们生活的每一个角落的基站，与一般通信机房相比形成了特殊的工作条件，这些特殊的工作条件对用于基站的通信电源设备提出了更高的要求。
（一）基站通信电源的可靠性设计
基站电源系统的可靠性设计主要用于解决基站特殊环境对通信电源系统提出的过高要求。可靠性解决方案如下：
1、将电源模块的交流输入电压范围提高至±30%，这样可提高电源系统对电网的适应性。
2、电源模块采用自然冷却方式，自然冷却（与风冷相比）可从根本上避免由于风机损坏对电源系统可靠性的影响和电源运行若干年后大面积更换风机的危险。
3、基站通信电源系统增加综合过电压保护电路。将基站通信电源的雷电过电压保护、非雷电过电压的保护一体化。保证基站通信电源在出现雷电过电压、非雷电过电压时，通信电源可以得到有效的保护。
4、基站通信电源的故障隔离设计是提高电源系统可靠性的重要方法。该设计将电源监控故障与电源模块故障隔离开来；将故障电源模块与正常电源模块隔离开来。使电源系统在电源监控故障、部分电源模块故障时可以继续供电。
（二）基站通信电源系统的可维性设计
基站通信电源可维性设计的目的是使通信电源系统的故障维修尽量简单。主要表现在电源模块更换的方便性、系统故障的诊断性等。可维性解决方案如下：
1、电源模块的安装方式采用带电插拔式，电源模块在任何状态下可任意插入和拔出。对此，我们设计了电源模块动态识别电路，该电路可以保证在电源
模块插拔过程中不影响系统均流电路的工作。电源模块的带电插拔可使电源系统基于故障诊断与容错技术的的维修时间最短、维修难度最低。
2、基站通信电源系统监控的故障诊断功能为电源系统的维护提供方便。故障诊断软件可对电源模块的内部故障，电源系统的输入、输出故障提供准确的故障诊断及故障定位，并将电源系统的故障信息远传至监控中心的值班室，为电源系统的维修提供准确的信息服务。
（三）基站通信电源系统的可用性设计
基站通信电源系统的可用性设计的目的是使通信电源系统适应基站特殊工况的要求。对基站通信电源系统的可用性，解决方案主要有以下几个方面：
1、电源模块的带载特性。基站的特殊工况是电源系统安装调试时经常处于空载状态，电源设备正常运行时处于轻载状态。对此，为提高通信电源系统的可用性，我们对电源模块的电路拓扑及控制电路进行了改进，使电源系统可以在空载状态下长期运行，48w50A电源模块的空载损耗小于20W，轻载时的效率得到提高。
电源模块的发展范文第4篇
【关键词】 定位系统 无线蓝牙 智能移动电源
1 设计背景
根据艾瑞咨询集团的中国智能终端规模数据，2014年中国智能手机的保有量为7.8亿台，同比增长34.3%，预计到2017年将达到11.3亿台；2014年手机出货量为3.9亿台，比上年增长21.9%，预计到2017年将达到5.2亿台，这就为智能手机相关的配件市场提供了更大的空间。据海外市场研究机构ABI Research数据显示，预期智能手机配件市场将在2017年成长至380亿美元。
在手机的配件中，电池占了很大的比重。而传统电池容量每十年才提高20%，与智能手机、平板电脑等高耗电量设备的普及速度不成正比，已无法满足科技发展和人们生活的需要。因此移动电源的出现和研究，极具价值。而目前，便携式移动电源仍需解决无法智能化和数据化等缺陷，因而本课题针对移动电源和手机易被盗、移动电源无法智能化和数据化等缺陷，以蓝牙4.0技术为核心，研究设计带定位系统的无线蓝牙智能移动电源。
2 设计原理与思路
2.1 设计原理
无线蓝牙智能移动电源是基于国际蓝牙组织的最新蓝牙4.0协议进行工作的，主要原理是应用了无线蓝牙技术和搭载传感器的集成电路通过手机上配套的App使得各个平台之间无线连接，并且可以充分利用云端的优势进行数据存储和分析以及进一步应用拓展。
2.2 设计思路
实现将蓝牙4.0作为物联网内各种设备的无线通信技术基础，自主研发智能手机的智能配件产品及配套的移动端App，实现智能配件和手机的无线互联及命令、数据传输，并基于超低功耗蓝牙技术结合各种传感器信息搜集，以及结合目前消费电子产品市场上具有广泛认知及销量的移动电源产品，并提供嵌入式集成电路开发、移动智能终端软件开发及云端计算及大数据量存储交互的一体化解决方案，真正实现电子产品智能化。
手机端App主界面可以获取和手机相无线连接的移动电源内部的诸多信息，包括：移动电源当前电量、对各种智能设备如手机或Pad预估充电次数、当前电源预计充满电所需时间等，并且具有电源和手机端进行无线连接或断开的设置按钮以及电源设置操作按钮等，还可通过按动移动移动电源home键遥控手机拍照。移动电源设置界面可设置各种移动电源状态或情况下的提醒（图1）。
3 设计制作与步骤
3.1 无线蓝牙智能移动电源的内部设计
无线蓝牙智能移动电源包括主控模块和分别与主控模块电连接的升压模块、充电管理模块、电量读取模块和通信模块；电芯通过电芯保护模块与充电管理模块、升压模块和电量读取模块电连接；充电管理模块连接有USB充电接口，升压模块连接有USB放电接口。
通信模块采用蓝牙模块，与主控模块电连接并与外部移动设备（如手机、笔记本电脑等）通信连接，用于为外部移动设备提供移动电源的电量信息和内部相关信息。内部相关信息包括电压信息、电流信息、温度信息等。
无线蓝牙移动电源和手机或Pad等外部移动设备之间的通信包含数据通信和命令通信两种：
（1）数据通信。主要是指从移动电源内部传感器读取的电源内部温度、3D加速度数据和电量控制模块读取的电源电压、电流、电量数据，这些数据可以实时传输到手机或Pad端，通过App的加工处理，以各种可扩展的应用展示给用户，或对用户操作进行提醒。
（2）命令通信。主要是指通过移动电源上按钮，对其触发相应的指令传输到手机或者Pad端，通过App对手机或Pad进行无线遥控操作，比如遥控照相、遥控连续拍照、遥控摄像、遥控录音、遥控触发手机铃声以找到手机等；同时还可以反向通过手机端App，发出命令，传输到移动电源上，触发电源报警铃声以寻找电源。
3.2 无线蓝牙智能移动电源的外部设计
（1）材料选用无线蓝牙智能移动电源以航空铝美合金为主要原材料，以充分保障电源散热。外观设计主要包括功能端口：充电接口、放电接口、Home键，以及电量指示灯。
（2）隐藏式卡口设计。在移动电源外部设置可隐藏式卡扣，方便移动电源用户在户外或需要一边充电一边使用设备时，能较方便移动电源固定。另外，移动电源的隐藏式卡扣还可以在用户收纳电源时夹在包袋内，避免四处滑动，难于寻找。如图2所示。
3.3 配套的智能手机端APP设计
配套的智能手机端APP的设计能支持iOS系统，这就需要iOS平台的蓝牙4.0配套协议逻辑实现。
主要在用户界面部分和蓝牙稳定性方面进行了设计：
主要电源信息实时显示部分作为主页面，实时向用户显示电源信息和根据基础信息计算出的应用相关信息；遥控拍照和摄像单独一个页面，提供拍照设置、前后摄像头选择、闪光灯选择等功能，并且支持多达15张照片连续拍摄。
蓝牙连接稳定性方面，每台电源设备有唯一编码，完全可以做唯一识别判断，本项目设计的iOS平台的App，能和多达8台电源设备同时进行连接，在20米范围内可以持续稳定连接，抗干扰性强，并且蓝牙连接在超过设定的安全距离报警后，当电源设备回到安全距离范围内，蓝牙连接可以迅速地自动重新握手建立连接，无需额外操作，连接过程对用户透明，提高用户体验。
3.4 制作步骤
硬件制作APP交互流程设计用XCODE软件进行app程序编译功能ICON设计绘制app界面并进行界面视效整体优化
4 创新性分析
带定位系统的无线蓝牙智能移动电源的设计是基于蓝牙4.0技术研发的移动电源硬件和智能手机终端App，通过两者和数据分析处理的云服务三者结合实现智能配件和手机的无线互联及命令、数据传输，并基于超低功耗蓝牙技术结合移动电源内部的传感器进行信息搜集，以及结合目前消费电子产品市场上消费者对于移动电源的需求，并提供无线充电、遥控拍照与手机上配套的App连接，在云端进行数据存储和分析，真正实现电子产品智能化。
4.1 理论与技术创新
本项目将蓝牙无线通信模块与传统消费电子产品相结合，在传统移动电源基础上，增加了蓝牙无线通信模块、温度传感器、3D加速度感应器，将传统移动电源产品进行了智能性扩展。硬件产品和智能终端App配套开发，使电源具有和智能手机之间进行数据传递和命令传递的能力，并且可以扩展多种相关功能以及用于进行终端用户使用模式的行为数据分析，最终实现移动电源智能化、数据化。
在技术上，带定位系统的无线蓝牙智能移动电源将蓝牙4.0作为物联网内各种设备的无线通信技术基础，验证了其稳定安全传输、远距离无线通信、低功耗、小体积、1对多的可行性和技术优势；成功搭建了云服务器集群，实现负载均衡，大数据量存储；在手机端iOS平台，实现对底层蓝牙4.0模块及接口的调用，对无线传输信号侦测及无线传输距离的设置，开发了支持蓝牙4.0协议的配套APP；解决一台移动智能终端和多台蓝牙4.0模块设备的连接，实现一对多的主从模式控制，实现了移动电源的智能化和联网化。
4.2 应用创新
（1）将物联技术和个人移动终端电子产品相结合，增加了电子产品智能化及附加值应用。
虽然目前移动电源产品兴起于2011年，但技术含量低，移动电源本身除了作为应急充电电源外，不具备其他扩展功能和智能体验。而本项目设计将蓝牙4.0无线传输模块和传感器模块内置入移动电源的方式，在手机端开发配套App，实现智能手机和移动电源的无线互联以及数据、命令传输，并在基础上实现智能化功能扩展，为用户带来更好的体验。
（2）可以从智能手机端实时获取电源内部电量、温度、是否跌落等信息，并获取各种提醒，实现移动电源智能化，同时收集大量信息数据传送到云服务器，进行深入分析与处理。
目前市面上在售的普通移动电源无法获知在消费者中的实际使用行为，而本设计研究的带定位系统的无线蓝牙智能移动电源可以将用户电源信息、对电源的使用情况和行为等数据信息实时采集到手机终端，再通过网络传输到云端，进行存储，从大规模数据中进行分析。 例如，只要手机与移动电源分离达到20米左右，两者就会同时发出定位报警提示，用户都会收到及时提醒。也具备了防窃功能。
通过报警情况收集，在云端反映出用户的使用习惯，对经常发生手机或者电源遗失的地点等情况进行收集分析，从而推知在最容易发生物品遗失的地址，提前进行多种提示，避免损失。
（3）可以通过移动电源上按钮触发手机无线遥控拍照、摄像。通过蓝牙4.0无线传输协议，智能移动电源和智能手机之间除了进行数据的传输，可以进行命令的互相传输。在移动电源端硬件上设计的按钮，当手机和电源在安全范围内保持无线互联的状态下，可通过按动电源上的按钮，触发指令，控制移动电源通过中控模块向无线传输模块发出相应的命令，命令被手机端无线模块收到，并经过App的解析，根据当前App所设置是拍照或摄像状态，在手机端调用相应的拍照或摄像命令，即可实现通过移动电源无线遥控手机拍照或者摄像的功能。
（4）具有五重保护技术，可以实现低静态、持续全兼容和高效节能安全充电。所谓五重保护指的是过充保护、过放保护、过流保护、短路保护及过温保护，通过内部数字化管理系统精准的计算出延迟时间，在电源过充、过放、过流、短路以及过温的情况下关闭电路，从而有效保护移动电源及充电电子设备的安全性。带定位系统的无线蓝牙智能充电电源可以高效节能充电、给其他电子设备充电并保持低静态充电，延长电池的使用寿命。
4.3 结构创新
电源模块的发展范文第5篇
关键词:FC;SoC;电源管理模块;电路
中图分类号:TP331文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)10-2449-02
随着集成电路设计技术和超深亚微米技术的高速发展,集成电路设计已步入片上系统SoC(System on Chip)时代。SoC是专用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuits)设计方法学中的新技术,是指以嵌入式系统为核心,以IP核复用技术为基础,集软、硬件于一体,并追求产品系统最大包容的集成芯片。SoC是将数字电路、模拟电路、信号采集和转换电路、存储器、MPU、MCU、DSP等集成在一块芯片上实现一个系统。以超深亚微米(VDSM)工艺和IP核复用(IP Reuse)技术为支撑的系统级芯片技术将是超大规模集成电路(VLSI)发展的必然趋势和主流。
为突破传统电源管理模式,将研发的智能电源管理模块以SoC为核心,利用SoC内部的ARM922T处理器提供处理能力,外部配置AD采样逻辑、存储器等资源;并采用光纤通道(Fiber Channel,FC)为通信接口,通过FC总线,接收系统其它模块发送的控制命令,进一步提高了电源模块的可靠性、通用性、易扩展性和灵活的配置能力,并促进了FC技术的应用,保证了系统功能和性能的优化。
1 智能电源管理模块的系统结构
智能电源管理模块是以片上系统SoC为控制中心,实现对数据的采集。模块由电压电流调理电路、开关阵列电路、AD选通转换电路、控制器、存储器、FC接口等构成,主要负责电源模块的检测和控制。当上电BIT测试正确,则电源管理模块以一组固定的动作序列去控制开关阵列PSA向外供电;若流经PSA电流超出范围Is≥IsMAX,控制PSA并对其进行状态转换;在应急供电下,停止对通用模块供电,只对关键模块供电;电源管理模块通过FC接口与系统管理者进行传输开关动作状态、报警信息、数据(各支路电流),记录电源自测试BIT结果、故障信息。
电源管理模块系统结构包括如图1所示的主要功能块。
2 电源管理模块电路设计
2.1 复位电路
复位类型包括上电复位、手动复位、调试口复位、软件复位和看门狗复位。
上电或手动复位有效时产生200ms的低电平复位信号,提供给SoC芯片作为系统复位触发源之一。调试口复位由外部调试工具产生,用于复位ARM922T处理器的调试接口。软件复位指系统根据软件运行要求生成的复位触发源。而当系统在规定时间内,没有得到响应时产生看门狗复位。
当SoC芯片接收到上述复位类型中任意一种触发复位机制,由SoC芯片输出系统复位信号对电源管理模块进行复位。
2.2 时钟电路
电源管理模块中需要使用时钟的电路有:SoC芯片、FC接口。其中,SoC芯片选择53.125MHz运行时钟,内部进行4倍频提供ARM922T处理器使用。FC接口收、发数据时钟频率为106.25MHz。
2.3 存储器电路
电源管理模块中的存储器是SDRAM存储器。该存储器工作电压为3.3V,封装为54引脚的TSOP,容量为32M*16。在设计时使用2片K4S511632E实现32位操作。SoC芯片内置SDRAM存储器控制器,提供SDRAM的时序控制逻辑,并且提供SDRAM访问时钟,时钟频率为56.125MHz,同存储器时钟的时钟频率和相位在EDA设计时保持一致。
2.4 电压转换电路
模块中使用了多种电压的电源,分别为+3.3V、+2.5V和+1.8V,统一由外部+5V经电压转换电路实现,输出电流可达到3A。由于SoC芯片要求内核上电时间万余I/O上电时间,所以在设计时对内核电压(+1.8V)转换电路增加场效应管控制,使其满足SoC芯片供电要求。
电压转换电路设计图如图2所示。
2.5 模拟量输入电路
系统的模拟量信号是由多路模拟开关进行选通。多路开关是采用2片16通道模拟开关和1片8通道模拟开关,通过4位通道地址选取相应通道,其中最高位为片选位。因此,最多可选通38路模拟信号,满足本模块所需的24路模拟量信号的要求。模拟开关用于选通被测试信号,包括4路电压检测信号、16路电流模拟量信号和4路应急模拟量信号,通过对GPIO0-5配置进行通道选择。
A/D转换器件控制端直接与EBI接口连接,CS信号接EBI_CS2,读写信号则与EBI读写信号相连。A/D转换的操作为中断方式或查询方式,转换结束标志EOC信号作为外部中断连接到SoC芯片,当转换结束后产生中断,由SoC芯片读取转换结果并作出相应处理。EOC信号在设计时也连接到SoC芯片的GPIO端,可作为输入信号,当转换开始后查询该信号状态判断是否转换结束。
模拟量输入和A/D转换电路如图3所示。
2.6 离散量输出电路
离散量输出主要用于控制开关阵列的工作状态,当状态一旦置出,在没有检测到错误或是在没有接受到系统管理者更新指令时,该状态是不能变更的。
在设计时,利用EBI数据作为开关阵列的控制信号。首先,对EBI数据通过锁存器进行锁存,然后进行电平转换,以此输出满足开关阵列使用的+5V电平信号,初始默认开关阵列的状态为全开,所以采用+5V上拉方式保证离散量输出信号为高电平。设计图如图4所示。
2.7 FC接口
SoC芯片提供FC接口,所以只需要在外部连接串并转化器和光电收发器即可。串并转换器具有10bitTx/Rx总线接口,提供并行回环测试模式,接收、发送时钟可达到106.25MHz,兼容SSTL-2电平,供电电压为3.3V。而光电收发器也采用的是一款高性能光纤模块,具有4通道接收器/发送器,单通道带宽1Gbps至2.7Gbps,兼容8B/10B数据格式。设计过程中重点考虑PCB制作和FC接口端接匹配电阻的选择。
3 结论
电源管理系统模块利用FC接口,通过FC总线接受应用系统中其他模块发送的控制命令,并根据命令,控制开关阵列的输出,可以实现分别为各可替换功能模块(LRM)的上下电。而当智能电源模块发生故障时,电源管理模块能够通过FC总线将故障信息发送给应用系统的主控模块。在系统控制下,发生供电系统的重构动作,从而实现电源故障隔离。
参考文献:
[1] Furber S[英].田泽,于敦山,盛世敏,译.ARM SoC体系结构[M].北京航空航天大学出版社,2002.
