基于嵌入式的开关电源休眠节能系统分析与研究

肖文军

（中国铁塔股份有限公司平凉市分公司，甘肃 平凉 744000）

对于通信公司来说，通信系统是整个通信网络的核心，而通信系统受通信电源的影响，通信电源的重要性毋庸置疑。据相关调查报告显示中国通信公司在电力能源上的消耗能够占据营业额的5%，通信电源的管理和维护需要占用大量的成本，因此，嵌入式开关电源休眠节能系统的研发迫在眉睫，必须实现对通信系统电源开关的智能化控制，才能降低电力能源的消耗，达到可持续发展的目的。

1 开关电源的技术背景

电源在当今社会的重要性不断提高，任何用电的设备和系统都要使用电源，而电源开关是控制用电设备和系统运行的主要方式。当今社会生活和生产对电力能源的使用在不断增强，电源的使用要求也随之提高，高频化和节能化是电源未来的发展方向。而且随着开关电源的应用领域不断增加，安全性和可靠性同样成为开关电源必须具备的性能，否则无法保证企业的用电安全。当前企业多采用N+1 的开关电源配置方式，这样能保证开关电源在使用时负载在设计要求之内。但有些企业在使用开关电源时冗余的开关电源较多，导致其负载要求远低于设计要求，这样实际上也是一种能源浪费。本文对开关电源进行研究，希望设计出一种既能减少能源浪费，又能保持开关电源的负载在设计要求之内的节能系统，这样则可以实现对开关电源系统的休眠和控制要求[1]。

2 开关电源休眠节能系统的原理

本文从整流模块的角度介绍其休眠节能的技术原理，分别从输出功率、带载损耗、空载损耗三个方面进行技术原理分析。开关电源整流模块的输出功率与负载电流有关，输出功率直接决定了开关电源的能耗。如果输出功率过大，则很难降低开关电源的实际能源消耗。开关电源整流模块的带载损耗指工作效率，当整流模块的负载率在设计范围内时，开关电源的工作效率较高，此时带载损耗较小，一般整流模块的负载率设计要求为40%～80%，当带载损耗比较高时，可以通过提高整理模块的负载率提高其工作效率，最后降低其带载损耗。开关电源整流模块的空载损耗一般是由于负载率未达到额定容量导致的，此时可以增加整流模块的数量，提高其负载率，最后减少开关电源休眠节能系统的空载损耗。

可以根据系统中开关电源整流模块的负载率调整其工作状态，当开关电源系统的整流模块负载率比较低时，可以让部分开关电源休眠，这样可以提高开关电源的负载率，从而减少开关电源的不必要损耗。当开关电源系统的整流电源负载率比较高时，可以唤醒休眠的开关电源，这样能降低开关电源的负载率，防止开关电源损坏，还能减小开关电源的能源损耗。最后通过对开关电源的轮流调整，使其可以获得一定的休眠时间，即可延长开关电源的使用寿命[2]。

3 开关电源休眠节能系统设计方案

3.1 升级电源监控单元

开关电源休眠节能系统可以通过升级电源监控单元来实现休眠控制，虽然很多开关电源在设计出来时就具备休眠的功能，但是实际使用中并不能实现休眠。因此，设计人员可以从休眠功能入手对系统设计进行优化，让所有开关电源都能够得到充分休眠，防止出现部分开关电源不间断工作、另一部分开关电源一直休眠的情况。

3.2 使用电流传感器硬件

开关电源休眠节能系统可以通过使用电流传感器硬件直接将整流器的工作状态数据信息传输给休眠控制模块，从而提高整流器负荷率计算的速度和准确率，方便系统对开关电源的休眠和唤醒进行控制。除此之外，保证开关电源休眠节能系统单独供电，防止开关电源影响系统的工作状态。

3.3 测试硬件休眠技术的运行

开关电源休眠节能系统在正式投入使用之前必须先进行测试，根据开关电源的损坏情况和节能效率判断系统的安全性是否可靠，最后通过测试后才能在大范围内推广使用。

4 嵌入式的开关电源休眠节能系统的设计和实现

4.1 开关电源休眠节能系统整体架构设计

嵌入式的开关电源休眠节能系统的整体架构设计首先应保证模块化，模块化是嵌入式系统的基础保障。如果不采用模块化结构对该系统的整体结构进行设计，则无法实现嵌入式开关电源休眠节能系统的设计。因此，可以直接通过整流模块、LCD 显示模块、休眠控制模块对该系统的整体结构进行设计，同时使用继电器开关作为控制整流器电流输出的方式，最后即可实现对系统中整流模块负载率的动态管理，从而根据整流模块的负载率决定开关电源的休眠和工作。

4.1.1 整流模块设计

整流模块直接与输入的交流电进行连接，所以必须先采用滤波的方式过滤掉输入交流电中的杂波，防止尖峰杂波对整流模块的负载率产生影响。因此，整流模块将输入交流电转换为直流电压之后，即可分别通过多个继电器开关，再同步通过多个整流器，多途径输出直流电。直接输出汇流之后再对输出电流整体进行检测，同时与休眠控制模块进行连接即可实现对开关电源的休眠控制。

4.1.2 休眠控制模块设计

休眠控制模块是整个开关电源休眠节能系统整体架构的核心，该模块与输出回流和继电器开关相互连接，可以通过输出电流的信息完成对继电器开关的开闭控制。但休眠控制模块需要对输出汇流的数值大小进行判断，该模块必须具备数据处理分析的能力，所以休眠控制模块的核心是单片机，单片机可以作为一个小型CPU 在模块中完成数据处理分析和判断。休眠控制模块应该根据整流器的直流电流输出结果将其转变成线形变化电压，然后再通过单片机A/D 模块对电压值是否超过限定数值进行判断。如果输出电流的电压值检测结果超过限定范围，可以认为开关电源的整流模块负载率较高，此时可以打开继电器开关，唤醒休眠的开关电源。如果输出电流的电压值检测结果小于限定范围，可以认为开关电源的整流模块负载率过低，此时可以闭合继电器开关，让部分开关电源休眠。

4.1.3 LCD 显示模块设计

LCD 显示模块负责监控开关电源休眠系统的工作状态和各个模块设备的参数，最后将实时检测的数据显示到LCD显示模组上。LCD 显示模块的作用是人工辅助监测，防止开关电源休眠系统工作状态异常最终导致开关电源损坏，该模块可以将整流器的工作状态和继电器的开关装备显示在监视器上，工作人员可以通过LCD 显示屏监控各个整流器的负载率情况和开关电源的休眠状况。

4.2 开关电源休眠节能系统硬件结构设计

开关电源休眠节能系统硬件结构首先应该明确共有哪些模块需要使用硬件设备，休眠控制模块中的控制核心为单片机，可以使用型号为PIC16F877 的单片机对开关电源休眠节能系统的控制核心对开关电源整流器负载率的参数进行处理，最终实现开关电源的休眠与唤醒，则可以达到节能的目的。除了系统的核心控制芯片外，LCD、串口、复位电路、电流检测接口电路和电源模块中的硬件设备设计也同样重要。LCD 硬件设备的作用是数据参数和设备状态显示，LCD硬件主要使用玻璃和驱动器两种材料进行集成；电流检测接口电路可以提供电流检测结果，其硬件设备为电流和电压等监测电子元件。

4.3 开关电源休眠节能系统控制软件设计

开关电源休眠节能系统控制软件的设计也是非常必要的，软件是实现嵌入式开关电源休眠节能系统的根本，而软件设计和编写首先要明确该系统的控制流程。本文按照整流模块负载率在40%～80%为最佳参数对该系统的软件控制流程进行分析，该系统软件控制流程逻辑的编写从输出电流检测开始即可，因为输出电流检测可以直接计算出整流器的负载率，而整流器的负载率是判断开关电源休眠和唤醒的重要因素。因此，该系统软件流程逻辑的编写首先对输出电流检测结构进行记录，然后根据电流结果计算出整流器的负载率，再将负载率结果与40%～80%范围内的数据进行对比。

如果负载率结果在40%～80%之间，则保持当前开关电源的工作状态即可；如果负载率结果在40%以下，则可以通过负载率与40%之间的差值计算出需要关闭多少个开关电源模块才能保证负载率升高到40%～80%之间，最后关闭对应数量的开关即可；如果负载率结果在80%以上，则可以通过负载率与80%之间的差值计算出需要开启多个开关电源模块才能保证负载率降低到40%～80%之间，最后开启对应数量的开关即可。但考虑到开关电源休眠节能系统无法直接对开关电源本身进行控制，因此一般通过控制继电器开关间接实现对整流器模块的控制。除此之外，开关电源休眠节能系统还需要对每个开关电源的工作时间进行记录，然后按照工作时间对工作的开关电源进行调整，保证每个开关电源的休息时间相近，这样才能延长所有开关电源的使用寿命。

5 结论

综上所述，嵌入式的开关电源休眠节能系统可以先从整流模块、休眠控制模块和LCD 显示模块三个方面对系统整体架构进行设计，然后再从电源模块、电流检测接口电路、芯片、复位电路、FLASH、串口、LCD 等方面对系统硬件结构进行设计，最后再设计出该系统的控制软件，即可实现对嵌入式开关电源休眠节能系统的智能化控制。无线电源休眠节能系统的设计和实现对无线基站来说具有重要作用，它可以减小通信公司的能源消耗，降低其运营和管理成本，实现对通信公司无线基站开关电源的智能化控制。