摘要: 意外斷電對基于PC平臺的信息發布系統容易造成損害，本文給出了一種斷電保護電路設計方法。本設計采用STC15F00單片機為主控制器，斷電時通過檢測電源和PC狀態，切換PC供電電源實現對系統的保護，對其原理設計進行了詳細描述。該電路成本低，體積小，適合內嵌到系統中，大大提高了信息發布系統的穩定性。
引言
隨著信息化、智能化和網絡化的發展，信息發布系統在銀行、醫院、交通、商場、賓館、酒店等各種公共場所得到了廣泛應用。基于PC平臺［1］的信息發布系統，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定因素，意外斷電會造成系統當前數據丟失，甚至會損壞硬盤，導致系統崩潰［23］，而信息發布系統的安裝位置往往比較分散，如果系統損壞，需要有大量的人力進行維護。因此，需要找到一種適合系統應用的斷電保護方法，使系統在斷電時可以完成正常處理，提高系統運行的穩定性。
傳統的UPS電源，其價格較貴、體積較大，無法內嵌到信息發布系統中。參考文獻［4］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據和狀態信息快速寫到NVRAM中，再上電時通過讀取NVRAM來恢復數據，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。參考文獻［56］需要改變PC的譯碼電路和存儲器RAM電路的供電，實現難度較大。本文給出的斷電保護電路，只需改變PC供電方式就可實現，斷電時將PC供電切換到備用電池，控制PC關機后再切斷電源，起到節能和保護作用，實現起來簡單靈活。
1 系統設計
基于PC平臺的信息發布系統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布系統的損害，設計了斷電保護模塊，改進后的系統功能框圖如圖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、循環壽命長等優點［7］，選擇鋰電池為斷電保護備用電源。系統正常供電時，12VOUT=12VIN；系統斷電時，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狀態跳變，進而切斷負載，保護電池輸出。
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。
2.1.1 升壓電路設計
采用ON Semiconductor公司的MC34063A［8］實現升壓設計，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=05 V，MC34063飽和壓降VSAT≈045 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=05 A，IPK=2×IOUT×1+TONTOFF=2×05 A×145=145 A，得到
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=[1278×(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。
本設計中PC電源要求為直流12 V/15 A，PC的最低工作電壓VMIN(PC)為8 V,選擇的鋰電池規格為ICR186502200mA11.1V。其組合方式為ICR186503S1P；標稱電壓為111 V；標稱容量為2200 mAh；尺寸為19 mm×56 mm×705 mm。電池充電管理電路的原理圖如圖5所示。
設置充電電壓：VBAT=VREG=12 V；充電電流：ICH=02C=02×2200 mA=440 mA。根據其規格書計算得到：RCS=02 V/ICH=045 Ω，VBAT=2416 V×(1+R7/R6)=12 V；取R6=68 kΩ，得到R7=270 kΩ；取R3=10 kΩ， 得到IEOC=[1278 V×(14 350+R3)]/(RCS×106)=0044 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。當基極比發射極低07 V時，Q3導通，從而Q2導通，使DET1由高電平變為低電平，直到C11放電結束，Q3和Q2又變為截止狀態，DET1恢復高電平。因此，斷電發生時，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。
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，適合低成本工業現場應用。
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/關機狀態信號。PC開機和關機時DETECT的狀態有變化，比如選擇USB口的5 V信號作為DETECT，它在開機狀態下是高電平，關機狀態下是低電平。根據DETECT的狀態變化，可以判斷PC是否關機。
2.4 軟件設計
當系統供電正常時，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，可結合DET2的狀態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。具體軟件流程圖如圖8所示。
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完成數據處理關機后，DETECT信號由高電平變為低電平，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。
結語
本文給出了斷電保護電路在信息發布系統中的具體應用，通過實驗結果分析了其可行性。該電路設計靈活、體積小、方便內嵌，大大提高了系統的穩定性，并在實際項目中獲得了成功應用，取得了良好的經濟效益。
參考文獻
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張宏寬(碩士研究生)，主要研究方向為多媒體數字信號處理和嵌入式系統開發。
