用于信息發(fā)布系統(tǒng)的斷電保護電路設計方案

基于PC平臺的信息發(fā)布系統(tǒng)，可以支持多種音視頻格式文件，具有處理速度快、硬盤海量存儲、集成度高、功能接口豐富、方便擴展等特點。然而，公共場所的電源存在不穩(wěn)定因素，意外斷電會造成系統(tǒng)當前數(shù)據丟失，甚至會損壞硬盤，導致系統(tǒng)崩潰而信息發(fā)布系統(tǒng)的安裝位置往往比較分散，如果系統(tǒng)損壞，需要有大量的人力進行維護。因此，需要找到一種適合系統(tǒng)應用的斷電保護方法，使系統(tǒng)在斷電時可以完成正常處理，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的UPS電源，其價格較貴、體積較大，無法內嵌到信息發(fā)布系統(tǒng)中。利用非易失性NVRAM芯片的快速讀寫特性，在掉電延遲時間將數(shù)據和狀態(tài)信息快速寫到NVRAM中，再上電時通過讀取NVRAM來恢復數(shù)據，這種方法無法避免斷電對硬盤的損壞，掉電延遲時間很難靈活控制。需要改變PC的譯碼電路和存儲器RAM電路的供電，實現(xiàn)難度較大。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

1 系統(tǒng)設計

基于PC平臺的信息發(fā)布系統(tǒng)在硬件設計上主要包括交直流轉換電源、嵌入式PC、顯示驅動和LCD屏等幾個部分。交直流轉換電源將220 V市電轉換為12 V直流輸出，為PC供電。PC輸出的VGA格式圖像經顯示驅動模塊轉換為LVDS接口信號，送到LCD屏進行圖像顯示。為避免斷電對信息發(fā)布系統(tǒng)的損害，設計了斷電保護模塊，改進后的系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

2 斷電保護模塊設計

斷電保護模塊輸入為直流12 V(12VIN)電壓，輸出為可控的12 V(12VOUT)電壓。它主要由斷電檢測模塊、鋰電池模塊、電源切換控制模塊和主控制器MCU 四個部分組成，功能框圖如圖2所示。由于鋰電池具有體積小、能量密度高、無記憶效應、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，選擇鋰電池為斷電保護備用電源。系統(tǒng)正常供電時，12VOUT=12VIN;系統(tǒng)斷電時，斷電檢測模塊產生檢測信號DET1和DET2,主控制器MCU及時將電源切換到鋰電池模塊輸出，即12VOUT=VBAT,然后發(fā)出關機命令ON/OFF.PC完成當前處理后關機，主控制器MCU會檢測到DETECT狀態(tài)跳變，進而切斷負載，保護電池輸出。

圖2 斷電保護模塊功能框圖

2.1 鋰電池模塊

鋰電池在使用過程中需要嚴格控制其電壓、電流和溫度，過充、過放、過流和過溫都會引起電池損壞，影響電池使用的安全性。本設計采用CONSONANCE公司的CN3705鋰電池充電管理集成電路對鋰電池實現(xiàn)充電管理，為使電池充電到VBAT=12 V,輸入VCC要滿足VCC-VBAT>2 V,因此需要先升壓使VCC=15 V,具體通過升壓電路實現(xiàn)。

2.1.1 升壓電路設計

采用ON Semiconductor公司的MC34063A[8]實現(xiàn)升壓設計，它是一款低功耗、高效DC/DC轉換器，原理圖如圖3所示。其中L101、D101、C103、R103和R104對升壓電路起決定作用，主要器件參數(shù)選擇如下：

設定VIN(MIN)=12 V-12 V×10%=10.8 V(允許輸入有10%電壓波動)，輸出電壓VCC=1.25 V×(1+R104/R103)=15 V,取R103=1 kΩ，R104=11 kΩ;D101正向導通壓降VF=0.5 V,MC34063飽和壓降VSAT≈0.45 V,振蕩器開關頻率fOSC(MIN)=24 kHz.根據

得到TOFF=28.8 μs,TON=12.9 μs,C103=4×10-5×TON≈560 pF.

設定輸出電流IOUT=0.5 A,IPK=2×IOUT×1+TONTOFF=2×0.5 A×1.45=1.45 A,得到

圖3 升壓電路原理圖

2.1.2 充電管理電路設計

CN3705是PWM降壓型電池充電管理芯片，充電曲線如圖4所示，包含涓流充電、恒流充電和恒壓充電三個過程。當電池電壓低于所設置的恒壓充電電壓VREG的66.7%時，進入涓流充電模式，涓流充電電流為恒流充電電流的15%;當電池電壓高于所設置的恒壓充電電壓的66.7%時，進入恒流充電模式，恒流充電電流ICH=0.2 V/RCS;當電池電壓接近VREG時，進入恒壓充電模式，充電電流逐漸減小，當減小到充電結束電流IEOC=[1.278×(14 350+R3)]/(RCS×106)時，充電結束。如果斷開輸入電源，自動進入睡眠模式;如果重新接入，或電池電壓低于恒壓充電電壓的91.1%,將自動開始新的充電周期。為了監(jiān)測電池溫度，在TEMP和GND引腳之間連接一個10 kΩ的負溫度系數(shù)的熱敏電阻R2,如果電池溫度超出正常范圍，充電被暫停，直到電池溫度恢復到正常范圍為止。

圖4 恒流恒壓充電曲線圖

本設計中PC電源要求為直流12 V/1.5 A,PC的最低工作電壓VMIN(PC)為8 V,選擇的鋰電池規(guī)格為ICR18650?2200mA?11.1V.其組合方式為ICR18650?3S1P;標稱電壓為11.1 V;標稱容量為2200 mAh;尺寸為19 mm×56 mm×70.5 mm.電池充電管理電路的原理圖如圖5所示。

圖5 電池充電管理電路原理圖

設置充電電壓：VBAT=VREG=12 V;充電電流：ICH=0.2C=0.2×2200 mA=440 mA.根據其規(guī)格書計算得到：RCS=0.2 V/ICH=0.45 Ω，VBAT=2.416 V×(1+R7/R6)=12 V;取R6=68 kΩ，得到R7=270 kΩ;取R3=10 kΩ， 得到IEOC=[1.278 V×(14 350+R3)]/(RCS×106)=0.044 A.

2.2 斷電檢測電路設計

當市電斷掉時，交直流轉換電源的輸出電壓12VIN消失。原理圖如圖6所示，12VIN的下降，導致Q3基極電壓跟隨下降，發(fā)射極由于電容C11已經儲存了電量，其電壓下降較慢。當基極比發(fā)射極低0.7 V時，Q3導通，從而Q2導通，使DET1由高電平變?yōu)榈碗娖?，直到C11放電結束，Q3和Q2又變?yōu)榻刂範顟B(tài)，DET1恢復高電平。因此，斷電發(fā)生時，DET1會產生一個低脈沖信號給MCU.DET2取自電阻分壓，電源正常時分壓值為5 V,斷電后為0 V.

圖6 斷電檢測電路原理圖[!--empirenews.page--]

2.3 主控制器和電源切換控制電路設計

主控制器MCU選擇宏晶科技的STC15F100單片機，它內部集成復位電路和R/C時鐘電路，設定內部工作時鐘頻率為22.1184 MHz,其外圍電路簡單，抗干擾性強，適合低成本工業(yè)現(xiàn)場應用。

MCU和電源切換控制原理圖如圖7所示。MCU檢測到斷電信號DET1后，立即輸出SW1為高電平，Q1導通，M2導通，切換到給PC繼續(xù)供電，保證PC與MCU正常工作。D1和D2的作用是防止電源反串干擾。在設計上，電源端由于有濾波電容，從12 V降到PC最低工作電壓8 V需要5 ms以上，而MCU設定DET1引腳為中斷功能引腳，DET1下降沿觸發(fā)中斷，MCU只需幾百μs就可完成檢測和切換動作。ON/OFF為PC的開關機控制信號，DETECT為PC的開機/關機狀態(tài)信號。PC開機和關機時DETECT的狀態(tài)有變化，比如選擇USB口的5 V信號作為DETECT,它在開機狀態(tài)下是高電平，關機狀態(tài)下是低電平。根據DETECT的狀態(tài)變化，可以判斷PC是否關機。

圖7 MCU和電源切換控制原理圖

2.4 軟件設計

當系統(tǒng)供電正常時，PC由12VIN供電，可設置為上電自動開機;外部電源斷掉時，MCU會檢測到DET1的下跳變，進入中斷，輸出SW1為高電平，切換到電池供電。為避免電源波動導致DET1產生的誤觸發(fā)，可結合DET2的狀態(tài)判斷電源是否已經斷開，進而給出關機信號ON/OFF.PC完成當前處理后關機，其狀態(tài)腳DETECT由高變低，MCU檢測到DETECT變低后得知PC已關機，再將SW1輸出低電平，關閉系統(tǒng)。具體軟件流程圖如圖8所示。

圖8 MCU軟件設計流程圖

3 實驗測試

圖9~圖11給出了斷電測試波形。從圖9可以看出，電源降到PC最低工作電壓8 V的時間超過5.67 ms,而檢測(DET1)和切換(SW1)在斷電后600 μs內就可完成;圖10給出了ON/OFF和DETECT的時序，當MCU確認12VIN斷開后，輸出ON/OFF信號;圖11中，當PC完成數(shù)據處理關機后，DETECT信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，隨后MCU關斷電池輸出，即12VOUT=0.這樣，就完成了一次意外斷電的保護過程。

圖9 斷電測試波形圖1

圖10 斷電測試波形圖2

圖11 斷電測試波形圖3

結語

本文給出了斷電保護電路，該電路設計靈活、體積小、方便內嵌，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并在實際項目中獲得了成功應用，取得了良好的經濟效益。