一种通用型以太网控制的机架式智能电源模块

技术领域

本方面属于电源设备领域，具体涉及了一种通用型以太网控制的机架式智能电源模块，可对不同的设备进行供电集控和高精度能耗监测。

背景技术

在当前的设备应用中，针对机架式电源这一特定作用的设备，其设备功能在于将工频电转化为小型直流设备可使用的低压直流电，并根据具体需要进行配电和电气保护等功能。随着机架式设备的大量应用，电源仅止步与小型配电功能将会落后于当前的需求发展，针对电源改进的工作日益凸显其必要性。

针对现有的机架式电源设备普遍具有以下的局限性：

(1)针对需要精益化管理的应用场景中，尤其是再物联网系统进行设备管理的场景中，现有电源无法进行网络连接，人员无法通过后台的方式获取设备信息及进行设备控制，且设备安装位置距离工作人员较远，查看设备将耗费人力；

(2)针对特定的供电电路中，需要对设备功率进行管理和控制，因此电源管理中应当具有一定精度的电压电流采集装置，获取单独支路的工作状态，而目前的设备中，普遍不具备电压电流监测系统，无法对单个设备的工作状态进行控制和确认；

(3)对电源设备的重要要求之一便是安全，现有电源设备中不具备支路单独的保护与跳闸功能，对用电设备出现短路时不能跳开支路开关，甚至不进行动作导致电源烧毁，该项缺陷急需改善。

方面内容

针对上述不足，本方面要解决的技术问题在于：

(1)针对无法进行网络连入问题，本方面在电源设计中配套加入了支持互联网连接的硬件设备，使用对应的网络硬件进行布局，使该电源模块可将采集的所有信息上送至中控端，同时支持人员进行远程控制和远程查询；

(2)针对电气量采集问题，本方面使用了高精度电压电流采样电路的设计，使用普通器件也可以保证较高精度的电气量采集，保证得到的电气量准确可靠；

(3)针对没有对应的保护，该设备设计了专门的短路保护电路，且该电路只用于支路上，对于支路出现短路情况时，将只关闭支路，减小停电范围。

本发明的技术方案为：

一种通用型以太网控制的机架式智能电源模块，包括以太网控制器、CPU控制器、支路控制器、MOS电开关及高精度采样电路相互连接组成，所述支路控制器通过使用MCU嵌入式控制器对支路的开关进行控制许可，完成对电源设备的通断控制；同时，采用高精度采样电路将满足对电源电压电流的采样，将采样信息传递至MCU嵌入式控制器与云端进行处理；通过对电源信息的集成处理，使电源设备可以直接由人员远方控制，或连接互联网端由云服务器的智能逻辑进行控制。

在实现硬件电路短路保护方面，本发明使用硬件电路的短路保护具有快速性和可恢复性，相比传统的保险式短路，硬件电路短路保护使用电子比较器对过载进行识别，并在过载发生时及时切断电子开关；由于其切断判据使用电路的变化率和大小，使其切断的速率于切断判据的精度远小于熔断器，在短路发生时的约几个毫秒内便可直接切断短路电流，从而保护所接元器件的电气安全。同时，可恢复性指无需进行保险更换即可对元器件进行修复，在经济与效率方面均有较好的表现。使用硬件电路的短路保护将不在需要用保险丝进行维修，同时可选择远程恢复电源控制，在现场应用中将降低巡维人员的巡维成本。

所述高精度采样电路具有精密功率采样功能，将使用工业级放大电路进行功率采样设计，使得元器件的流通功率将被准确记录，相比以往的电压显示型电源器件，可更好地记录设备地使用状况，为电功率优化提供有效的信息支持；同时，精密的功率采样数据将为机架式智能电源模块后台中的部分功能提供管理数据(如后台功率限制、软保护、软启动、功率日志等)提供设备运行分析的准确信息。

本发明的其核心在于MCU，使用MCU对支路进行控制，支路上使用MOS电开关作为机械开关的替代，可有效进行电路的开断，且通流能力远大于机械开关。支路中串联的放大电路为高精度采样电路，可对每一个单独的支路进行电量采集，有效判断支路的功率状况。上层硬件中，主要使用了以太网芯片、EEPROM和USB串口通用转换芯片。以太网芯片负责解析以太网协议和发送至底层的数据包，用于实现远程指令控制以及电源数据采集上报。EEPORM用于对设备运行的关键信息进行储存，以及记录各类日志，对设备进行纠错和日后维护。USB芯片用作电源调试和第二信息上送口，可在以太网数据出现问题时进行辅助通信与调试。

软件主要指本方面的驱动，驱动部分包含了如图中的几个部分。主要分为MCU内核启动部分，时钟与储存初始化部分和内部应用部分(加解密算法、设备低功耗算法、电路保护判断算法)。

针对电源侧的主要驱动配置为ADC驱动部分和GPIO支路开关控制部分。ADC部分定义了使用的ADC及采样功能，GPIO部分定义了电路开关控制的部分，直接对电路的开断进行指令性的控制。

针对外侧通信部分，主要分为对以太网芯片的SPI通信部分，以太网芯片内部的TCP/IP协议部分及MAC部分，和对串口芯片的Uart通信部分。通过对这几个部分。每一个部分由多个功能块组成，实现其所需的通信功能。

所述高精度采样电路包括精密放大器及采用电路，使用两级三枚精密放大器进行差分放大。对于小电压信号失真度小于1％，输出精准度极高。同时使用可调电阻对采集系数进行调整，满足不同电压使用的采集要求。

本方面的有益效果：

本发明将应用于各类机架、机柜内，为主要的直流设备提供直流电源，在供电稳定性方面具有更好的稳定性和可操作性，其优点在以下方面：

(1)硬件电路短路保护

使用硬件电路的短路保护具有快速性和可恢复性。相比传统的保险式短路，硬件电路短路保护使用电子比较器对过载进行识别，并在过载发生时及时切断电子开关。由于其切断判据使用电路的变化率和大小，使其切断的速率于切断判据的精度远小于熔断器，在短路发生时的约几个毫秒内便可直接切断短路电流，从而保护所接元器件的电气安全。

同时，可恢复性指无需进行保险更换即可对元器件进行修复，在经济与效率方面均有较好的表现。使用硬件电路的短路保护将不在需要用保险丝进行维修，同时可选择远程恢复电源控制，在现场应用中将降低巡维人员的巡维成本。

(2)精密功率采样

本发明将使用工业级放大电路进行功率采样设计，使得元器件的流通功率将被准确记录，相比以往的电压显示型电源器件，可更好地记录设备地使用状况，为电功率优化提供有效的信息支持。同时，精密的功率采样数据将为机架式智能电源模块后台中的部分功能提供管理数据(如后台功率限制、软保护、软启动、功率日志等)提供设备运行分析的准确信息。

(3)云端可控，通用协议

本发明将使用以太网进行后台通信及调试。完全实现远程的云端控制，极大程度降低现场对电源产品的巡维需求，通过后台管理进行设备掉电重启、供电通道许可与通断控制等功能，精简维修流程。

(4)同时本发明在网络协议中将使用通用型协议，使其能针对不同应用场景进行多种后台开发，满足各类现场环境的需要。

附图说明

图1：本发明的机架式智能电源模块结构图。

图2：本发明的机架式智能电源模块硬件连接结构示意图。

图3：本发明的机架式智能电源模块软件驱动拓扑图。

图4：放大电路原理。

具体实施方式

如图1所示，一种通用型以太网控制的机架式智能电源模块，包括以太网控制器、CPU控制器、支路控制器、MOS电开关及高精度采样电路相互连接组成，所述支路控制器通过使用MCU嵌入式控制器对支路的开关进行控制许可，完成对电源设备的通断控制；同时，采用高精度采样电路将满足对电源电压电流的采样，将采样信息传递至MCU嵌入式控制器与云端进行处理；通过对电源信息的集成处理，使电源设备可以直接由人员远方控制，或连接互联网端由云服务器的智能逻辑进行控制。

在实现硬件电路短路保护方面，本发明使用硬件电路的短路保护具有快速性和可恢复性，相比传统的保险式短路，硬件电路短路保护使用电子比较器对过载进行识别，并在过载发生时及时切断电子开关；由于其切断判据使用电路的变化率和大小，使其切断的速率于切断判据的精度远小于熔断器，在短路发生时的约几个毫秒内便可直接切断短路电流，从而保护所接元器件的电气安全。同时，可恢复性指无需进行保险更换即可对元器件进行修复，在经济与效率方面均有较好的表现。使用硬件电路的短路保护将不在需要用保险丝进行维修，同时可选择远程恢复电源控制，在现场应用中将降低巡维人员的巡维成本。

所述高精度采样电路具有精密功率采样功能，将使用工业级放大电路进行功率采样设计，使得元器件的流通功率将被准确记录，相比以往的电压显示型电源器件，可更好地记录设备地使用状况，为电功率优化提供有效的信息支持；同时，精密的功率采样数据将为机架式智能电源模块后台中的部分功能提供管理数据(如后台功率限制、软保护、软启动、功率日志等)提供设备运行分析的准确信息。

如图2所示，本发明的其核心在于MCU，使用MCU对支路进行控制，支路上使用MOS电开关作为机械开关的替代，可有效进行电路的开断，且通流能力远大于机械开关。支路中串联的放大电路为高精度采样电路，可对每一个单独的支路进行电量采集，有效判断支路的功率状况。

如图2所示，上层硬件中，主要使用了以太网芯片、EEPROM和USB串口通用转换芯片。以太网芯片负责解析以太网协议和发送至底层的数据包，用于实现远程指令控制以及电源数据采集上报。EEPORM用于对设备运行的关键信息进行储存，以及记录各类日志，对设备进行纠错和日后维护。USB芯片用作电源调试和第二信息上送口，可在以太网数据出现问题时进行辅助通信与调试。

如图3所示，软件主要指本方面的驱动，驱动部分包含了如图中的几个部分。主要分为MCU内核启动部分，时钟与储存初始化部分和内部应用部分(加解密算法、设备低功耗算法、电路保护判断算法)。

针对电源侧的主要驱动配置为ADC驱动部分和GPIO支路开关控制部分。ADC部分定义了使用的ADC及采样功能，GPIO部分定义了电路开关控制的部分，直接对电路的开断进行指令性的控制。

针对外侧通信部分，主要分为对以太网芯片的SPI通信部分，以太网芯片内部的TCP/IP协议部分及MAC部分，和对串口芯片的Uart通信部分。通过对这几个部分。每一个部分由多个功能块组成，实现其所需的通信功能。

如图4所示，所述高精度采样电路包括精密放大器及采用电路，使用两级三枚精密放大器进行差分放大。对于小电压信号失真度小于1％，输出精准度极高。同时使用可调电阻对采集系数进行调整，满足不同电压使用的采集要求。