用于信息發(fā)布系統(tǒng)的斷電保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案

基于PC平臺(tái)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(pán)海量存儲(chǔ)、集成度高、功能接口豐富、方便擴(kuò)展等特點(diǎn)。然而，公共場(chǎng)所的電源存在不穩(wěn)定因素，意外斷電會(huì)造成系統(tǒng)當(dāng)前數(shù)據(jù)丟失，甚至?xí)p壞硬盤(pán)，導(dǎo)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(jìn)行維護(hù)。因此，需要找到一種適合系統(tǒng)應(yīng)用的斷電保護(hù)方法，使系統(tǒng)在斷電時(shí)可以完成正常處理，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的UPS電源，其價(jià)格較貴、體積較大，無(wú)法內(nèi)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(xiě)特性，在掉電延遲時(shí)間將數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息快速寫(xiě)到NVRAM中，再上電時(shí)通過(guò)讀取NVRAM來(lái)恢復(fù)數(shù)據(jù)，這種方法無(wú)法避免斷電對(duì)硬盤(pán)的損壞，掉電延遲時(shí)間很難靈活控制。需要改變PC的譯碼電路和存儲(chǔ)器RAM電路的供電，實(shí)現(xiàn)難度較大。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于PC平臺(tái)的信息發(fā)布系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上主要包括交直流轉(zhuǎn)換電源、嵌入式PC、顯示驅(qū)動(dòng)和LCD屏等幾個(gè)部分。交直流轉(zhuǎn)換電源將220 V市電轉(zhuǎn)換為12 V直流輸出，為PC供電。PC輸出的VGA格式圖像經(jīng)顯示驅(qū)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VDS接口信號(hào)，送到LCD屏進(jìn)行圖像顯示。為避免斷電對(duì)信息發(fā)布系統(tǒng)的損害，設(shè)計(jì)了斷電保護(hù)模塊，改進(jìn)后的系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

2 斷電保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

斷電保護(hù)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(cè)模塊、鋰電池模塊、電源切換控制模塊和主控制器MCU 四個(gè)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(wú)記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，選擇鋰電池為斷電保護(hù)備用電源。系統(tǒng)正常供電時(shí)，12VOUT=12VIN;系統(tǒng)斷電時(shí)，斷電檢測(cè)模塊產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)DET1和DET2,主控制器MCU及時(shí)將電源切換到鋰電池模塊輸出，即12VOUT=VBAT,然后發(fā)出關(guān)機(jī)命令ON/OFF.PC完成當(dāng)前處理后關(guān)機(jī)，主控制器MCU會(huì)檢測(cè)到DETECT狀態(tài)跳變，進(jìn)而切斷負(fù)載，保護(hù)電池輸出。

圖2 斷電保護(hù)模塊功能框圖

2.1 鋰電池模塊

鋰電池在使用過(guò)程中需要嚴(yán)格控制其電壓、電流和溫度，過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流和過(guò)溫都會(huì)引起電池?fù)p壞，影響電池使用的安全性。本設(shè)計(jì)采用CONSONANCE公司的CN3705鋰電池充電管理集成電路對(duì)鋰電池實(shí)現(xiàn)充電管理，為使電池充電到VBAT=12 V,輸入VCC要滿(mǎn)足VCC-VBAT>2 V,因此需要先升壓使VCC=15 V,具體通過(guò)升壓電路實(shí)現(xiàn)。

2.1.1 升壓電路設(shè)計(jì)

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

設(shè)定VIN(MIN)=12 V-12 V×10%=10.8 V(允許輸入有10%電壓波動(dòng))，輸出電壓VCC=1.25 V×(1+R104/R103)=15 V,取R103=1 kΩ，R104=11 kΩ;D101正向?qū)▔航礦F=0.5 V,MC34063飽和壓降VSAT≈0.45 V,振蕩器開(kāi)關(guān)頻率fOSC(MIN)=24 kHz.根據(jù)

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

設(shè)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(shè)計(jì)

CN3705是PWM降壓型電池充電管理芯片，充電曲線(xiàn)如圖4所示，包含涓流充電、恒流充電和恒壓充電三個(gè)過(guò)程。當(dāng)電池電壓低于所設(shè)置的恒壓充電電壓VREG的66.7%時(shí)，進(jìn)入涓流充電模式，涓流充電電流為恒流充電電流的15%;當(dāng)電池電壓高于所設(shè)置的恒壓充電電壓的66.7%時(shí)，進(jìn)入恒流充電模式，恒流充電電流ICH=0.2 V/RCS;當(dāng)電池電壓接近VREG時(shí)，進(jìn)入恒壓充電模式，充電電流逐漸減小，當(dāng)減小到充電結(jié)束電流IEOC=[1.278×(14 350+R3)]/(RCS×106)時(shí)，充電結(jié)束。如果斷開(kāi)輸入電源，自動(dòng)進(jìn)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(dòng)開(kāi)始新的充電周期。為了監(jiān)測(cè)電池溫度，在TEMP和GND引腳之間連接一個(gè)10 kΩ的負(fù)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(fù)到正常范圍為止。

圖4 恒流恒壓充電曲線(xiàn)圖

本設(shè)計(jì)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(biāo)稱(chēng)電壓為11.1 V;標(biāo)稱(chēng)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(shè)置充電電壓：VBAT=VREG=12 V;充電電流：ICH=0.2C=0.2×2200 mA=440 mA.根據(jù)其規(guī)格書(shū)計(jì)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(cè)電路設(shè)計(jì)

當(dāng)市電斷掉時(shí)，交直流轉(zhuǎn)換電源的輸出電壓12VIN消失。原理圖如圖6所示，12VIN的下降，導(dǎo)致Q3基極電壓跟隨下降，發(fā)射極由于電容C11已經(jīng)儲(chǔ)存了電量，其電壓下降較慢。當(dāng)基極比發(fā)射極低0.7 V時(shí)，Q3導(dǎo)通，從而Q2導(dǎo)通，使DET1由高電平變?yōu)榈碗娖?，直到C11放電結(jié)束，Q3和Q2又變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，DET1恢復(fù)高電平。因此，斷電發(fā)生時(shí)，DET1會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低脈沖信號(hào)給MCU.DET2取自電阻分壓，電源正常時(shí)分壓值為5 V,斷電后為0 V.

圖6 斷電檢測(cè)電路原理圖2.3 主控制器和電源切換控制電路設(shè)計(jì)

主控制器MCU選擇宏晶科技的STC15F100單片機(jī)，它內(nèi)部集成復(fù)位電路和R/C時(shí)鐘電路，設(shè)定內(nèi)部工作時(shí)鐘頻率為22.1184 MHz,其外圍電路簡(jiǎn)單，抗干擾性強(qiáng)，適合低成本工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

MCU和電源切換控制原理圖如圖7所示。MCU檢測(cè)到斷電信號(hào)DET1后，立即輸出SW1為高電平，Q1導(dǎo)通，M2導(dǎo)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(shè)計(jì)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(shè)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(cè)和切換動(dòng)作。ON/OFF為PC的開(kāi)關(guān)機(jī)控制信號(hào)，DETECT為PC的開(kāi)機(jī)/關(guān)機(jī)狀態(tài)信號(hào)。PC開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)時(shí)DETECT的狀態(tài)有變化，比如選擇USB口的5 V信號(hào)作為DETECT,它在開(kāi)機(jī)狀態(tài)下是高電平，關(guān)機(jī)狀態(tài)下是低電平。根據(jù)DETECT的狀態(tài)變化，可以判斷PC是否關(guān)機(jī)。

圖7 MCU和電源切換控制原理圖

2.4 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)供電正常時(shí)，PC由12VIN供電，可設(shè)置為上電自動(dòng)開(kāi)機(jī);外部電源斷掉時(shí)，MCU會(huì)檢測(cè)到DET1的下跳變，進(jìn)入中斷，輸出SW1為高電平，切換到電池供電。為避免電源波動(dòng)導(dǎo)致DET1產(chǎn)生的誤觸發(fā)，可結(jié)合DET2的狀態(tài)判斷電源是否已經(jīng)斷開(kāi)，進(jìn)而給出關(guān)機(jī)信號(hào)ON/OFF.PC完成當(dāng)前處理后關(guān)機(jī)，其狀態(tài)腳DETECT由高變低，MCU檢測(cè)到DETECT變低后得知PC已關(guān)機(jī)，再將SW1輸出低電平，關(guān)閉系統(tǒng)。具體軟件流程圖如圖8所示。

圖8 MCU軟件設(shè)計(jì)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖9~圖11給出了斷電測(cè)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(shí)間超過(guò)5.67 ms,而檢測(cè)(DET1)和切換(SW1)在斷電后600 μs內(nèi)就可完成;圖10給出了ON/OFF和DETECT的時(shí)序，當(dāng)MCU確認(rèn)12VIN斷開(kāi)后，輸出ON/OFF信號(hào);圖11中，當(dāng)PC完成數(shù)據(jù)處理關(guān)機(jī)后，DETECT信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖?，隨后MCU關(guān)斷電池輸出，即12VOUT=0.這樣，就完成了一次意外斷電的保護(hù)過(guò)程。

圖9 斷電測(cè)試波形圖1

圖10 斷電測(cè)試波形圖2

圖11 斷電測(cè)試波形圖3

結(jié)語(yǔ)

本文給出了斷電保護(hù)電路，該電路設(shè)計(jì)靈活、體積小、方便內(nèi)嵌，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并在實(shí)際項(xiàng)目中獲得了成功應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。