一种用于信息发布系统的断电保护电路设计

随着信息化、智能化和网络化的发展，信息发布系统在银行、医院、交通、商场、宾馆、酒店等各种公共场所得到了广泛应用。基于PC平台［1］的信息发布系统，可以支持多种音视频格式文件，具有处理速度快、硬盘海量存储、集成度高、功能接口丰富、方便扩展等特点。然而，公共场所的电源存在不稳定因素，意外断电会造成系统当前数据丢失，甚至会损坏硬盘，导致系统崩溃［23］，而信息发布系统的安装位置往往比较分散，如果系统损坏，需要有大量的人力进行维护。因此，需要找到一种适合系统应用的断电保护方法，使系统在断电时可以完成正常处理，提高系统运行的稳定性。
传统的UPS电源，其价格较贵、体积较大，无法内嵌到信息发布系统中。参考文献［4］利用非易失性NVRAM芯片的快速读写特性，在掉电延迟时间将数据和状态信息快速写到NVRAM中，再上电时通过读取NVRAM来恢复数据，这种方法无法避免断电对硬盘的损坏，掉电延迟时间很难灵活控制。参考文献［56］需要改变PC的译码电路和存储器RAM电路的供电，实现难度较大。本文给出的断电保护电路，只需改变PC供电方式就可实现，断电时将PC供电切换到备用电池，控制PC关机后再切断电源，起到节能和保护作用，实现起来简单灵活。


图1 系统功能框图

1 系统设计
基于PC平台的信息发布系统在硬件设计上主要包括交直流转换电源、嵌入式PC、显示驱动和LCD屏等几个部分。交直流转换电源将220 V市电转换为12 V直流输出，为PC供电。PC输出的VGA格式图像经显示驱动模块转换为LVDS接口信号，送到LCD屏进行图像显示。为避免断电对信息发布系统的损害，设计了断电保护模块，改进后的系统功能框图如图1所示。
2 断电保护模块设计
断电保护模块输入为直流12 V(12VIN)电压，输出为可控的12 V(12VOUT)电压。它主要由断电检测模块、锂电池模块、电源切换控制模块和主控制器MCU 四个部分组成，功能框图如图2所示。由于锂电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命长等优点［7］，选择锂电池为断电保护备用电源。系统正常供电时，12VOUT=12VIN；系统断电时，断电检测模块产生检测信号DET1和DET2，主控制器MCU及时将电源切换到锂电池模块输出，即12VOUT=VBAT，然后发出关机命令ON/OFF。PC完成当前处理后关机，主控制器MCU会检测到DETECT状态跳变，进而切断负载，保护电池输出。


图2 断电保护模块功能框图

2.1 锂电池模块
锂电池在使用过程中需要严格控制其电压、电流和温度，过充、过放、过流和过温都会引起电池损坏，影响电池使用的安全性。本设计采用CONSONANCE公司的CN3705锂电池充电管理集成电路对锂电池实现充电管理，为使电池充电到VBAT=12 V,输入VCC要满足VCC-VBAT>2 V，因此需要先升压使VCC=15 V，具体通过升压电路实现。
2.1.1 升压电路设计
采用ON Semiconductor公司的MC34063A［8］实现升压设计，它是一款低功耗、高效DC/DC转换器，原理图如图3所示。其中L101、D101、C103、R103和R104对升压电路起决定作用，主要器件参数选择如下：
设定VIN(MIN)=12 V-12 V×10%=10.8 V（允许输入有10%电压波动），输出电压VCC=1.25 V×(1+R104/R103)=15 V，取R103=1 kΩ，R104=11 kΩ；D101正向导通压降VF=0.5 V，MC34063饱和压降VSAT≈0.45 V，振荡器开关频率fOSC(MIN)=24 kHz。根据
得到TOFF=28.8 μs，TON=12.9 μs，C103=4×10-5×TON≈560 pF。
设定输出电流IOUT=0.5 A，IPK=2×IOUT×1+TONTOFF=2×0.5 A×1.45=1.45 A，得到


图3 升压电路原理图


        
2.1.2 充电管理电路设计
CN3705是PWM降压型电池充电管理芯片，充电曲线如图4所示，包含涓流充电、恒流充电和恒压充电三个过程。当电池电压低于所设置的恒压充电电压VREG的66.7%时，进入涓流充电模式，涓流充电电流为恒流充电电流的15%；当电池电压高于所设置的恒压充电电压的66.7%时，进入恒流充电模式，恒流充电电流ICH=0.2 V/RCS；当电池电压接近VREG时，进入恒压充电模式，充电电流逐渐减小，当减小到充电结束电流IEOC=[1.278×(14 350+R3)]/(RCS×106)时，充电结束。如果断开输入电源，自动进入睡眠模式；如果重新接入，或电池电压低于恒压充电电压的91.1%，将自动开始新的充电周期。为了监测电池温度，在TEMP和GND引脚之间连接一个10 kΩ的负温度系数的热敏电阻R2，如果电池温度超出正常范围，充电被暂停，直到电池温度恢复到正常范围为止。


图4 恒流恒压充电曲线图

本设计中PC电源要求为直流12 V/1.5 A，PC的最低工作电压VMIN(PC)为8 V,选择的锂电池规格为ICR18650?2200mA?11.1V。其组合方式为ICR18650?3S1P；标称电压为11.1 V；标称容量为2200 mAh；尺寸为19 mm×56 mm×70.5 mm。电池充电管理电路的原理图如图5所示。


图5 电池充电管理电路原理图

设置充电电压：VBAT=VREG=12 V；充电电流：ICH=0.2C=0.2×2200 mA=440 mA。根据其规格书计算得到：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 断电检测电路设计
当市电断掉时，交直流转换电源的输出电压12VIN消失。原理图如图6所示，12VIN的下降，导致Q3基极电压跟随下降，发射极由于电容C11已经储存了电量，其电压下降较慢。当基极比发射极低0.7 V时，Q3导通，从而Q2导通，使DET1由高电平变为低电平，直到C11放电结束，Q3和Q2又变为截止状态，DET1恢复高电平。因此，断电发生时，DET1会产生一个低脉冲信号给MCU。DET2取自电阻分压，电源正常时分压值为5 V，断电后为0 V。


图6 断电检测电路原理图


        
2.3 主控制器和电源切换控制电路设计
主控制器MCU选择宏晶科技的STC15F100单片机，它内部集成复位电路和R/C时钟电路，设定内部工作时钟频率为22.1184 MHz，其外围电路简单，抗干扰性强，适合低成本工业现场应用。
MCU和电源切换控制原理图如图7所示。MCU检测到断电信号DET1后，立即输出SW1为高电平，Q1导通，M2导通，切换到给PC继续供电，保证PC与MCU正常工作。D1和D2的作用是防止电源反串干扰。在设计上，电源端由于有滤波电容，从12 V降到PC最低工作电压8 V需要5 ms以上，而MCU设定DET1引脚为中断功能引脚，DET1下降沿触发中断，MCU只需几百μs就可完成检测和切换动作。ON/OFF为PC的开关机控制信号，DETECT为PC的开机/关机状态信号。PC开机和关机时DETECT的状态有变化，比如选择USB口的5 V信号作为DETECT，它在开机状态下是高电平，关机状态下是低电平。根据DETECT的状态变化，可以判断PC是否关机。


图7 MCU和电源切换控制原理图

2.4 软件设计
当系统供电正常时，PC由12VIN供电，可设置为上电自动开机；外部电源断掉时，MCU会检测到DET1的下跳变，进入中断，输出SW1为高电平，切换到电池供电。为避免电源波动导致DET1产生的误触发，可结合DET2的状态判断电源是否已经断开，进而给出关机信号ON/OFF。PC完成当前处理后关机，其状态脚DETECT由高变低，MCU检测到DETECT变低后得知PC已关机，再将SW1输出低电平，关闭系统。具体软件流程图如图8所示。


图8 MCU软件设计流程图


        
3 实验测试
图9~图11给出了断电测试波形。从图9可以看出，电源降到PC最低工作电压8 V的时间超过5.67 ms，而检测（DET1）和切换（SW1）在断电后600 μs内就可完成；图10给出了ON/OFF和DETECT的时序，当MCU确认12VIN断开后，输出ON/OFF信号；图11中，当PC完成数据处理关机后，DETECT信号由高电平变为低电平，随后MCU关断电池输出，即12VOUT=0。这样，就完成了一次意外断电的保护过程。


图9 断电测试波形图1


图10 断电测试波形图2


图11 断电测试波形图3

结语
本文给出了断电保护电路在信息发布系统中的具体应用，通过实验结果分析了其可行性。该电路设计灵活、体积小、方便内嵌，大大提高了系统的稳定性，并在实际项目中获得了成功应用，取得了良好的经济效益。
参考文献
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［2］ 郭红霞，孟林. 浅谈硬盘损坏与恢复原理［J］.福建电脑,2005(4):3940.
［3］ 刘绍凯. 硬盘的基本原理及日常维护［J］.科技信息(学术刊)，2007(27)：511513.
［4］ 王成义. 微机系统掉电保护的实用技术［J］.现代计算机,1995(43):3436.
［5］ 崔晨荣. 微计算机应用控制中断电保护电路的设计［J］. 广西师范大学学报，1999，17(3)：2830.
［6］ 韩峻峰，李以贵. 一种简单的断电保护电路［J］. 黑龙江自动化技术与应用，1994，13(1)：5051.
［7］ 朱亮. 高精度线性锂电池充电控制芯片的研究与设计［D］. 西安：西安电子科技大学，2008.
［8］ 陈沛丰.基于MC34063A的开关稳压电源设计及外围器件参数计算［J］.机电工程技术,2012,41(5)：9094.