专利名称：：Ups卡的制作方法
技术领域：
：本发明的背景现代个人计算机(PC)已越来越多地用于公司、办公室和家庭。计算机故障或误动作会严重损坏数据和信息，造成巨大损失。令人遗憾的是，公用电源不能保证计算机可靠工作。断电、不正常电压和瞬时干扰或停止工作会删掉重要的数据并且造成元件恶化和硬件故障。本发明涉及用于向个人计算机和监视器，如SuperVGA彩色显示屏提供电源并且能保护计算机和显示屏免遭包括断电在内的各种电源中断的内部UPS卡。该卡安装在计算机内，例如插在一般的总线槽上，它只要求1到2个总线槽，它具有支持计算机和监视器或显示屏的后备电源。这可以用很小的变换器来实现，该变换器将比如12伏微型电池(大约20mm)电压高效变换成DC或AC高压，一般为280伏DC电压或220/110伏AC电压。变换器的工作频率很高，可以从15KHz到200KHz，最好为25KHz，变换器的工作效率也很高。这可以用铁氧化体变压器之类的比较薄的平面型变压器和通态电阻很低的Mosfet晶体管来实现。平面型变压器输出的高频升压电压用超高速或高速二极管进行整流。这样就得到了使计算机和监视器或显示屏工作的DC电压输出。类似地，采用平面型变压器的AC变换器能够产生高的AC电压。计算机和显示屏可以直接用所产生的DC或AC电压来工作。本发明的UPS卡本身最好不要带电源开关，而是通过PC电源开关与计算机一起接通或断开。这样便于对UPS卡供电并简化安装过程，减少安装时间，使得用合适的指令在2分钟内就可以完成安装任务。不过，也可以在UPS卡支架上安装独立的通/断开关来启动UPS。对UPS卡的尺寸和布线稍作改动后还可以将UPS卡安装在PC电源(SMPS)内。参照下列附图可以更好地理解本发明。在附图中图1是按照本发明的一个实施例构成的UPS卡的平面示意图；图2a是图1的后端示意图；图2b是图1的前端示意图；图3是装有本发明一个实施例的UPS卡的计算机的背面示意图；图4是按照本发明的UPS卡的框图；图5是含有低/高电压检测器和低电池电压报警器的电子电路；图6是本发明的变换器的示意图；图7是按照本发明的从电网电源充电的自动充电器的电路图；和图8是用于产生UPS卡工作条件的电子电路；图9供本发明UPS卡用的另一个电池充电系统的示意图；和图10是图9的电池充电器的电路图；图11是按照本发明的DC-AC逆变器的原理图；图12示出了图11中的微控制器所产生的输出波形；图13是对图2b的RJ1和RJ2起浪涌保护作用的RFI/EMI滤波器电路；图14是封装在PC-SMPS内的UPS的示意图。本发明涉及内插式卡形式的不间断电源系统(UPS)，尤其涉及在发生电源中断时保证不丢失数据的内插式UPS卡。该UPS卡为PC和显示屏提供后备电源以便使它们保持工作状态从而允许用户将数据存入到象硬盘之类的数据存储部件并安全关闭计算机。本发明的内插式UPS卡尤其适用于具有象硬盘或软盘之类的数据存储部件和诸如内部或外部调制解调器/传真卡以及SVGA显示屏或其它监视器等其它硬件的计算机。计算机从内部开关模式电源(SMPS)系统接收DC电压，SMPS由电网电源提供电压。当电网电源中断或不正常时，内部UPS卡就提供后备电源。UPS卡带有内部电池和充电器，在电网正常时，充电器给所述电池充电。该UPS卡还具有驱动DC-DC或DC-AC高压变换器的装置，该变换器以高频振荡。当电网不正常时，DC-DC变换器向所述计算机和显示屏提供所需范围(正常220伏或110伏±X％)的经整流的DC高压。变换器通常采用较薄的变压器，一般为平面型变压器或标准铁氧体变压器，这种变压器的体积较小，可以放置在印刷电路板上，因此卡式UPS比较薄，可以安装在PC槽上或者在改变PCB布局和尺寸后安装在计算机电源(SMPS)内。当电网电源断电或不正常时，该UPS卡还能够通过短连接电缆使RS232连接器上的两个点短路，并与软件一起使服务器/独立计算机(standalonecomputer)关闭文件，并停止服务器/独立计算机的工作及停止服务器与其它计算机之间的通信。本发明的内插式UPS卡还能够适用于不需要外部连接电缆的情况。现在参考图1、2a和2b，它们分别示出了按照本发明的一个实施例构成并工作的UPS卡10的平面、后端和前端示意图。UPS卡10包括固定在金属板14上的印刷电路板12，金属板14上带有用于插入计算机内的插槽中的连接器。UPS卡10包含电池16、平面型变压器18和电池充电器20。本发明的一个特征是UPS卡10很窄(见图2a)，可以插到一个或两个计算机内的总线槽中。图2a中的X大约为10-22mm。图3示出了总线槽插有本发明实施例的UPS卡10的计算机22的后视图。计算机22还包括电源32以及一般的打印机连接器24和RS232连接器26。UPS卡可以安装在计算机内的任何一个空槽中。如图3所示，AC主电源线28直接连接到UPS卡10上，短连接电缆30将UPS卡10连接到计算机电源(SMPS)32上。电线34从电源32连到监视器(没有画)上。这样，电流从主电源线28流入到UPS卡10中，然后从UPS卡10流到电源32内，电源32给计算机和显示屏供电。或者，UPS卡10可以与SMPS32进行内部耦合以便不需要连接线，如图14所示。图4和5分别示出了按照本发明的内插式UPS卡的示意性框图和电子电路。图4中，A、B、C、D、E、F、G、I和J这些部分构成一个框图，该框图的工作如下AC电网电源(通过LITTELE检测PCB变压器，见图5中T1)接到低压检测器D和高压检测器C上。同时还给这两个检测器D和C提供了可调参考电压J以便给它们设置所要求的参压电压值。参考电压可以用多圈电位器R6和R7(见图5)来设置。由作为比较器的集成电路U1A-D，这里示为LM339(四个比较器)来执行低压和高压检测。当比较器D和C因AC电源电压过高或过低(即断电)而动作时，相应比较器的输出端(图5中U1C或U1D的管脚13或14)就变为高电平，它使晶体管Q2导通从而使CP点(图5)接地。然后继电器K1接通并改变位置以便COMP1和COMP2(计算机和显示屏的供电端)从电网电源断开并连接到INV1和INV2端上(这将在后面讨论)。INV1和INV2端连接到DC-DC/AC变换器G的输出端上。变换器G(详见图6)同SG3525IC一起工作，SG3525IC相当于振荡器，它的两个输出端14和11能提供25KHz的方波脉冲。只有当管脚10接地时该IC才能工作。SG3525的管脚10名为INH(INH=禁止)，它连接到端点“CP”(见图5/3的K1继电器附近)上以便当AC电网电源超出正常工作范围(对220伏系统一般为低压=196伏，高压=250伏，但可以设置为任何想要的值)时变为有效。变换器ICSG3525开始振荡并产生大功率高DC输出电压，它能用电池电源B使计算机和显示屏工作几分钟。只要SG3525IC无效(“CP”为高电平，不从电池B吸取能量)，那么通过电线30接收电网电能的自动充电器A就自动地给电池充电。该充电器上的变压器T2(见图7)是小尺寸PCB安装变压器，它的输出电压经两个二极管6A6整流并经470μF的电容滤波后得到16.5伏的电压。该电压输入到诸如LM7808的电压调节器中，LM7808与稳压值为5.1伏的齐纳二极管一起输出8+5.1=13.1伏的总的DC电压。6.8Ω/3W的电阻用于将流入电池的输出电流限制到150到200mA。这种电压和电流负荷是小的12V/2AH铅酸电池或其它电池。当电池充满(一般为13.1伏)后，由于电池的电势等于充电器的输出电压，因此充电器A会自动停止充电。当存在AC电网电源时，该充电器总是连接到电池上给电池充电。当不存在AC电网电源时，它不会影响电池(放电)，因此单元A(详见图7)是完全独立的。另外，充电器A可以通过电线35从PC总线槽(图4)而不是从电源线30获得电能，然后将获得的电压(5伏)升到较高的电压来给电池B充电。通过适当改变调压器78xx和齐纳二极管的电压可以得到其它电压值的输出电压。参照图6(图4的变换器G)，SG3525IC的输出信号分别通过小晶体管Q1与Q2、Q3与Q4来驱动Mosfet功率晶体管Q5、Q6。这些小晶体管用于给Mosfet充电/放电使之处于合适的工作状态。两个Mosfet的漏极输出端连接到铁氧体薄截面变压器T3(截面高度H=15mm的平面型变压器)的两侧。一种比较合适的变压器是由RishonLeZion的PaytonPlananMegneticsLtd.生产的型号为5557的变压器。变压器原边的中抽点连接到电池上。只要MosfetsQ5和Q6不工作，就不会消耗电池的能量。当SG3525工作时，Q5和Q6以25KHz的高频进行振荡(也可以以15KHz到200KHz之间的其它频率振荡)。平面型铁氧体变压器T3以推挽方式工作，它有非常高的效率和很低的损耗，它的副边输出交流280伏/25KHz的电压。其效率大于92％。T3的副边电压输入到由4个超高速二极管组成的整流桥中，它与滤波电容器C2一起提供高压大功率DC/AC输出电压。该输出电压(来自图4的模块G)输入到连接端子INV1和INV2的K1继电器(还是见图5/3)中。如上所述，当交流电网电源过低(断电)或过高时，变换器输出就连接到负载(计算机和显示屏)上。K1继电器的开关时间为1到3毫秒，因此在该死区时间内由计算机电源中的电容器供电。这个死区时间很短。当电网电源电压降到196伏时发生转换以便仍能对计算机SMPS的电容器进行充电。这样，计算机和显示屏将仍保持工作，不会丢失或破坏数据，因为当电网电源超出所要求的范围时K1继电器会将计算机和显示屏与电源分开。该UPS卡还可以保护硬件免遭尖峰电压、浪涌电压和“突变”电压的冲击。因此，它提供了一个全保护解决方法。所有元件都安装在一个插在PC槽内的印刷电路板上。之所以能这样做是因为铁氧体变压器很薄，即属于平面型(平面型变压器的截面高度为15mm。也可以用其它“标准”铁氧体平面型变压器或其它任何平面型变压器)。对12伏电池来说，变压器的原边电压为2×9.8伏，副边电压为280伏(可以提高到320伏左右)。该电压是这样计算的电源电压×14.1=310伏(最大值)。该UPS卡没有电源开关，因而用户不需要从计算机的后面将它接通。这也符合于计算机的运输。唯一的电源开关是计算机电源开关。参照图6，SG3525IC从VSG端获得电能。VSG端连接到图8中K2继电器的B’端上。继电器K2在图4中用“I”表示，其详细图如图8所示，只有当计算机通电时它才向ICSG3525提供12伏电源。其工作原理如下被插入到计算机内的UPS卡从计算机主板上的端点B1、B31和B3、B29(见图9)获得5伏直流电压(B、B31为地，B3、B29为5伏DC)，该5伏电压激励K26V继电器。还可以用PCI之类的其它连接器从SMPS向升压变换器/充电器(图10)提供电压。当PC接通(电源接通并且正常)时K1的端点B’与A’连接在一起。由于端点A’连接到电源的正端上，因此端点B’给SG3525IC提供电池电压使它工作。现在，如果发生电源断电，SG3525就检测出管脚10为地，于是开始振荡，当然这时VSG必须在9到12伏范围内(见图6)。这时VSG已经位于这个电压范围。还有，在从电源到变换器的切换过程中，PC母板仍向K2继电器(见图8)提供电能以便使变换器仍然工作。在上述条件下，变换器振荡从而向计算机和显示屏提供几分钟的后备电能。于是用户能够将数据保存到硬盘或其它数据存储元件中，然后关闭计算机。当计算机被关闭，PC母板就不再通过K2继电器(图8)向变换器(向图6的VSG)提供电压，于是变换器就被断开。为了使变换器重新工作，用户必须要等到AC电网电源上重新获得电能。如果在工作开始时没有AC电网电源，那么UPS卡将保持在断开位置上，可以被移动而不必担心偶然工作/电池放电和电气冲击。该UPS卡只有在插入到计算机内并且计算机的电源开关接通以及存在AC电网电源的情况下才能工作(如上所述)。当UPS卡断开时，电池中根本就不会流出电流。这一点很重要，这样当电池不用时(闲置)就不会放电。该UPS卡还具有电池欠压报警器(图5的U1B和图4的E)，它使报警蜂鸣器45工作。比较器U1B将电池电压与与图4中的参考电压J和图5中的电位器R4的电压进行比较，当电池电压低于预定值(约10.5伏)时，U1B的输出变为高电平使Q1晶体管导通从而使蜂鸣器45发出报警声。这警告用户只有一分钟时间执行关闭操作，这将作进一步说明。如果用户仍没有关闭计算机，那么自动关闭系统(图4的F端)就会关闭计算机。这个系统由比较器U1A(图5)构成。当电池电压降低到10伏，即降到最低允许电压值时，U1A就变为高电平，它通过二极管D4和D5向高/低检测器的比较器提供电压。这将使AC电源恢复并且U1C和U1D的输出变为低电平。这使得Q2开通以及使“CP”点变成高电平，从而使变换器停止工作，使继电器K1释放。这样就不会从电池抽取电流。当电池重新被充电时，这种情况才会被改变。该UPS卡还具有输入噪声滤波器以便保护计算机免遭RFI/EMI噪声干扰(图5的左上部分)。该UPS卡还包括另一个具有图13所示浪涌保护电路的RFI/EMI滤波器(CM1、CM2、LM1、LM2)。该浪涌保护电路能保护计算机硬件不会因电话线中偶然串入的高电压峰值而遭受严重损坏。连接器RJ170和RJ272(见图1和2b)分别是输入连接器和输出连接器，其中电话线连接到输入连接器70上，输出连接器72连接到外部或内部modem/fax以避免计算机遭受RFI/EMI噪声干扰和尖峰电压冲击。RV1压敏电阻80和GT气体放电管82(图13)用于钳制电话线上的高电压峰值。以下是本发明UPS卡与一般UPS系统之间的其它差别1、能使计算机和显示屏工作的一般UPS设备是体积庞大的独立箱体，它们用电缆耦合到计算机上。本发明的UPS卡因体积小，设计新颖，因而可直接安装到计算机内的一个或两个槽中。2、最重要的是，本发明的DC/DC变换器与其它DC/DC变换器极为不同，因为它能提供使显示屏与计算机工作的280V/120W的高压电能。其它UPS卡也不能使显示屏工作。所用的DC/DC变换器将低DC电平变换到PC母板上。通常它们能提供+5V、-5V、+12V、-12V的DC电压，这些电压只供计算机备用，不能供显示器备用。3、在使用其它类型的UPS卡时，由于用户看不到屏幕，该卡需要必须被调节以适用于用户软件的软件，因此安装过程非常复杂。4、本发明的UPS卡还可以避免计算机硬件遭受不正常电压(过高电压、尖峰电压、电压降低等)的影响。5、本发明的UPS卡可以避免偶然工作。在被放置到计算机内之前，UPS卡不会工作。6、本发明的UPS卡没有电源开关，它是用计算机电源开关来操纵的，便于使用。7、由于该UPS卡是卡型尺寸的完整UPS，因此很容易安装。只要将它插入到PC槽中，合上计算机盖就能实现象任何“标准”UPS那样的连接关系。其中，“标准”连接是电源与UPS卡之间以及UPS卡与计算机电源之间都是用电缆连接的。最好PC电源与显示屏并联连接以便不需要UPS卡与显示屏之间存在连接关系。然而，可以在UPS卡架上提供直接与显示屏连接的另外的输出连接器。8、变换器的效率高于92％，这样就可以采用小尺寸/容量的电池。现在参考图9，它示出了另一种电池充电器50。充电器50从PC总线扩展槽52获得电能，它使用从PC电源54输入到PC总线上的5伏(或12伏)电压。图9中的Vcc电压是从两个地端(引脚B1和B31)与两个正端(引脚B3和B29)之间获得的，这样可以得到更好的电流并便于降低每个引脚上的电流从而减小每个引脚的负载。输入电流可以在0.5安到1.2安之间。最好每个引脚各承担一半电流，如总电流为0.5安，则各引脚分别承担0.25安。这个电流被输入到升压变换器56中，图10示出其电子电路。升压变换器56将5伏电压变换成适合于电池的电压(通常为12伏到27伏)并给电池充电。升压变换器56具有输出电流限制电阻(RX)，它根据所用电池的容量来限制充电电流(对2AH电池容量一般为200mA)。RX的值通常在1到10Ω之间，对1.8AH的电池容量来说RX的值最好为3Ω，这样将输出约200mA的电流。输出电压可以用电位器来调节，调节范围为5伏到24伏，对标称值分别为14.4伏和16.8伏的镍镉C型电池充电，输出电压最好分别为18伏和20伏。图10所示的电路是高频开关升压变换器，它切换绕组(枢流圈)中的电流。开关频率范围为20KHz到200KHz，典型值为100KHz。所用的集成电路具有反馈环以便稳定输出电压。电容器CX用于减小纹波和延长断电(即在从电源切换到变换器过程中)以后5伏电压的维持时间。当电池被充满后，电池上的电势就等于充电器的电势，于是便停止充电。(对标称电压为14.4伏的12槽镍镉电池可以检测到电流从240mA下降到10mA)。采用以上电路可以使充电器的尺寸非常小。在图4中该充电器用方框A表示。现在参考图11，该图表示DC-AC升压逆变器(图4中的方框G)。该逆变器包括微片(TM)微控制器58(型号为PIC16C73)与模/数转换器(A/D)59、调压器62、带平面型升压变压器的驱动电路60、滤波器/检波器66和带滤波器的反馈整流器64。微控制器58从调压器62接收5伏电压，调压器62由电池供电。当电源不正常时，微控制器58接收到来自端点CP的零电平信号后产生输出脉冲A和B(它们的时序在图12中示出)，这些脉冲提供给驱动电路60内的逻辑电平Mosfet功率晶体管(没有画出)。每一帧/脉冲序列(A或B)都由频率可变的脉宽调制脉冲C组成。这些将被升压变压器放大的脉冲被输入到变压器的原边绕组61上。变压器的副边绕组63连接到滤波器/检波器66上，滤波器/检波器66其解调成AC电压。在反馈环中，变压器的副边辅助绕组65的输出脉冲经反馈整流器64后产生反馈校正脉冲，该反馈校正脉冲再输入到微控制器58中，从而根据负载的变化调节脉冲序列A和B中的所有脉冲的占空比来稳定AC输出电压。应当理解，本发明不受以上对实施例的说明的限制。本发明只受以下权利要求的限制。用于微控制器的软件(图11,12)；；Timer0isusedtogenerate60Hzclock；；Timer2isusedtogenertae22khzPWMclock；；*******************************************************************；LISTp=16C73；PIC16C73isthetargetprocessor#defineoption1fequ1；destination=registerwequ0；destination=wtmr0equ1statusequ3pcequ2intconequ.11；optionequ1trisaequ5rp0equ5trisbequ6portbequ6triscequ7portcequ7gieequ7toifequ2tmr2leequ1tmr2ifequ1tmr2ieequ1goequ2pclathequ.10pir1equ.12pir2equ.13pie1equ.12pie2equ.13tmr2equ.17pr2equ.18t2conequ.18ccpr21equ.27ccpr11equ.21ccp2conequ.29adresequ.30adcon0equ.31adcon1equ.31periodequ.226；TIMER2226=22khzdc.equ.60；DUTYCYCLEmain0equD‘98’；TIMER098=60.6hzflagequ.51dlyequ.52countequ.53updequ.54resultequ.55tempequ.56；；********************************************************************；TestProgram；********************************************************************；begin；orgOH；gotostartorg140hstartclrwbcfstatus,rp0；selectbank0bsfflag,7；setflag.7bitmovlwmain0；timer0issetmovwftmr0；toproduce50hzmovlwB‘01100000’；disablemovwfintcon；allinterruptsclrftmr2；resettimer2movlwB‘00000100’；sett2conasmovwft2con；postscaler=1,timer2on,prescaler=1movlwdc；setmovwfccpr21；timer2dutycyclemidwaymovlwB‘00001100’；setccp2conasmovwfccp2ccn；PWMmode,θbitlowresolutionbsfstatus,rp0；selectbank1bsfpiel,tmr2ie；enableTMR2toPR2interruptbitmovlwperiod；presetmovwfpr2；pr2movlwB‘00000000’；putportmovwftrisc；‘C’inoutputmodemovwftrisb；‘B’inoutputmodemovlwB‘11111111’；putportmovwftrisa；‘A’ininputmodemovlwB‘10000110’；psa=128,internalclockmovwfoption；callinitad；initializeA2DmovlwB‘11111111’；setrgistermovwfdly；dly=255dddecfszdly,f；loopgotodd；bsfadcon0,go；startA2DcoveraionmovlwB‘11111111’；moredelaymovwfdly；setregisterdly=255eedecfszdly,f；loopgotoee；bsfintcon,gie；enablestimer0+2interruptsloopnopnopnopgotolooporgOHgotostart；；startofinterruptroutine；org0004Hbcfstatus,rp0；selectbank0btfssintcon,tmr2if；timer2interruptgotoxxbtfscflag,6；i=UPor0=DOWNincfupd；incrementupdbtfssflag,6；1=Upor0==DOWNdecfupd；decrementupdmovfupd,wmovwftemprrftemp,frrftemp,wandlw0x1fiorwfresult,wcalltablemovwfccpr21bcfpir1,tmr2if；cleartimer2interruptflag**btfssintcon,t0if；iftimer0overflowretfie；elseexitmovlwmain0movwftmr0bcfintcon,t0if；cleartimer0overflowflagincfcount,f；incrementregisterCOUNTbtfsccount,0；ifcount.0=1thenflag.6=0-＞DOWNbcfflag,6；btfsccount,0；continueifcount=evenretfie；exitbsfflag,6；ifcount.0=0thenflag.6=1-＞upmovlw.255；toggleportBxorwfportb,f；clrfupd；clearup-down；movfadres,wmovlw0x0e0；justfordebuggingandlw0xe0mo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梅厄申请人:机载安全系统有限公司