一键开关机电路设计

最新推荐文章于 2025-05-28 19:01:05 发布
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分类专栏： 硬件电路器件基本组成 文章标签： 一键开关机 ｄ触发器
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一些硬件设计中，需要使用微动开关来控制电源开启和关掉，本篇文章将介绍一款TI芯片使用微动开关来控制电源的硬件电路：
在这里插入图片描述

设计使用按钮控制器（消除按键抖动也可以使用施密特触发器）和Ｄ触发器（锁定状态）来控制电源开启和关断。时序图如下所示：

在这里插入图片描述
Ｄ触发器真值表如下：
在这里插入图片描述
系统在初始化上电时要有确定状态，不要出现一上电使Ｄ触发器Ｑ输出为高导致后端三极管导通后端系统上电。确定上电初始状态是由RDELAYR_{DELAY}RDELAY​和CDELAYC_{DELAY}CDELAY​来实现的，根据真值表得知，初始上电时要保证PRE为高，CLR为低。通过RC延时电路来保证初始化为低电平状态，RC延时时间一般大于10倍VCC上升时间。

这样按键按一下开机，再按一下关机。一直循环下去…

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注：本文内容转载自微信公众号“芯片之家”。 一键开关机电路 按键电路在我们的电路设计中非常常见，其中有一种比较特殊，就是一键开关机电路，顾名思义，就是只用一个按键实现开机关机以及其他功能，其实大家都接触过，手机中的开机键就是一个很好的例子。 原理其实很简单，就是通过控制PMOS Q2的通断来实现的，当按键KEY1按下的时候，PMOS Q2导通，之后控制Q1导通，就可以实现PMOS一直导通，实现开机，开机之后，可以检测PG2的电平来判断按键的短按，双击，长按等操作。 开机过程 按键没按下..
设计一个一键开关机电路
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<think>我们正在设计一个一键开关机电路，参考了引用[1]和[2]的内容。根据引用[1]，一键开关机电路需要实现三个功能：开机（短按按键从关机到开机）、切换菜单（开机状态下短按切换菜单）、关机（在特定菜单长按关机）。引用[2]则指出电路设计时需要注意单片机电压与电源电压（VIN）的匹配问题。 设计目标： 1. 关机状态下，短按按键开机。 2. 开机状态下，短按按键切换菜单。 3. 在开机状态下，切换到“关机”菜单时长按按键关机。 设计要点： - 需要单片机控制电源的通断，同时单片机本身也需要由电源供电。 - 按键既用于开机（此时单片机未上电），又用于菜单切换和关机（此时单片机上电）。因此，按键信号需要被单片机和开机电路同时使用。 - 电源控制：在关机状态下，按下按键给单片机上电；开机后，单片机通过一个IO口（如Power_Ctrl）维持电源导通；当需要关机时，单片机释放该IO口，切断电源。 电路设计考虑： 1. 电源控制部分：通常使用MOS管作为电源开关，控制VIN到VCC的通断。 2. 按键检测：在关机状态，按键按下触发电源导通；在开机状态，按键作为普通输入信号给单片机。 3. 电压匹配：如引用[2]所述，若单片机电压与VIN（系统电源）相同（例如都是3.3V），则电路可以简化；若不同，则需要电平转换或晶体管控制。 方案一：单片机电压与VIN相同（例如都是3.3V） 电路框图： ``` VIN (电池) ──┬───────> P-MOS (S) ── (D) ──> VCC (系统电源) │ │ N-MOS (G) <───── Power_Ctrl (单片机IO) │ (G) ─┬─ 按键 (SW) │ └─ 电阻下拉 └─ 按键 (SW) ──> 电阻 ──> 单片机IO (检测按键) ``` 详细说明： 1. 电源开关：使用一个P沟道MOS管（如AO3401）控制VIN到VCC的通断。P-MOS的栅极通过一个电阻上拉到VIN（保证默认截止），同时通过一个N沟道MOS管（如AO3400）下拉到地。N-MOS的栅极由单片机的Power_Ctrl引脚控制。 2. 开机过程：当按键按下时，按键将P-MOS的栅极通过一个二极管（或直接）拉到地，从而导通P-MOS，VCC上电。同时，按键信号通过一个限流电阻送到单片机的IO（如PA0）作为开机信号和后续的按键输入。 3. 维持供电：单片机上电后，初始化时将Power_Ctrl引脚置高，使N-MOS导通，从而将P-MOS栅极拉低，维持VCC供电。此时，即使松开按键，电源也不会断开。 4. 关机过程：当用户长按按键（在特定菜单），单片机检测到按键长按后，将Power_Ctrl引脚置低，N-MOS截止，P-MOS栅极被上拉电阻拉高到VIN，P-MOS截止，系统断电。 注意：按键在关机状态下按下时，同时触发了电源导通和给单片机一个高电平信号（通过电阻上拉到VCC？但此时VCC还没电，所以需要特殊处理）。这里，按键信号在开机瞬间需要被单片机检测到，但由于VCC建立需要时间，可能需要在软件上做延时去抖。 方案二：单片机电压与VIN不同 如果单片机电压（比如3.3V）而VIN是5V，那么我们需要确保单片机的IO不会承受5V电压。此时，我们可以： 1. 在按键信号输入到单片机之前，用电阻分压或者使用电平转换电路。 2. 在Power_Ctrl控制N-MOS时，如果N-MOS的栅极需要5V驱动，而单片机只有3.3V，则可能需要一个电平转换电路或者使用开漏输出加上拉电阻到5V（但引用[2]提到，如果单片机支持开漏输出，且该引脚可以容忍5V，那么可以设置开漏模式，外接上拉到5V）。 具体电路（当单片机3.3V，VIN=5V）： - 按键检测：按键一端接VIN（5V），另一端通过一个电阻（比如10k）接到单片机的IO。同时，在单片机IO处使用一个稳压管（3.6V）到地，或者使用两个电阻分压（将5V分压到3.3V）再接入单片机。 - Power_Ctrl控制：使用一个NPN三极管或者N-MOS来驱动N-MOS（控制P-MOS的栅极）。单片机的Power_Ctrl引脚控制这个三极管的基极（通过电阻），三极管的集电极接N-MOS的栅极，发射极接地。这样，当单片机输出高电平（3.3V）时，三极管导通，将N-MOS的栅极拉低，从而导通P-MOS。 设计步骤： 1. 确定系统电压（VIN）和单片机工作电压。 2. 选择P-MOS和N-MOS（或三极管）型号，确保其电压、电流参数满足要求。 3. 设计按键检测电路，确保在关机状态下按下按键能触发电源导通，并且将按键信号安全地传递给单片机。 4. 设计电源维持电路，由单片机控制。 5. 编写单片机程序，实现按键检测（包括短按和长按），以及电源控制。 示例电路图（方案一，3.3V系统）： ``` VIN (3.3V) │ ├───────┐ │ │ R1 P-MOS (如AO3401) 10k S ──────────── VCC (3.3V) │ D │ G │ │ ├───────┼───── 二极管 (1N4148) ──┐ │ │ 阳极朝向按键 │ │ │ │ │ R2 │ │ 100k │ │ │ │ └───────┼─────────────┐ │ │ │ │ N-MOS (AO3400) │ │ D ────────────┘ │ S ──────────── GND │ G │ │ │ R3 │ 10k │ │ │ Power_Ctrl (单片机IO) │ │ │ 按键SW ──────────────┬──────────────────────┘ │ R4 10k │ PA0 (单片机按键检测IO) │ GND (通过单片机上拉或软件上拉) ``` 工作原理： - 关机状态（VCC无电）：此时Power_Ctrl为低（因为单片机没电），N-MOS截止。按键未按下时，P-MOS栅极通过R1上拉到VIN，P-MOS截止。当按下按键，P-MOS栅极通过二极管被拉到地，P-MOS导通，VCC上电，单片机开始工作。 - 开机后：单片机初始化，设置Power_Ctrl为高，N-MOS导通，将P-MOS栅极拉低（即使松开按键，P-MOS仍然导通）。同时，单片机设置PA0为输入（内部上拉），检测按键。 - 关机：单片机检测到长按按键（在特定菜单），将Power_Ctrl置低，N-MOS截止，P-MOS栅极变为高电平（通过R1），P-MOS截止，系统断电。 软件流程： 1. 上电后，初始化IO：Power_Ctrl输出高电平，PA0设置为输入（上拉）。 2. 循环检测PA0的按键信号（需要消抖）。 3. 根据按键次数切换菜单，当进入关机菜单时，检测到长按（比如2秒），则执行关机操作：将Power_Ctrl置低，然后进入死循环或休眠（在断电前保持低电平）。 注意事项： - 二极管的作用：防止在开机后，单片机通过PA0和按键将P-MOS栅极拉低（因为PA0可能有上拉，如果没有二极管，按键按下时PA0会通过按键将P-MOS栅极拉低，但这不是问题，因为此时已经有Power_Ctrl维持了。但二极管可以防止在按键按下时，VCC通过PA0的上拉电阻和按键对地形成通路，造成电流浪费）。所以，二极管是必要的，它确保按键按下时只拉低P-MOS栅极，而不会影响PA0。 - 电阻R2（100k）是N-MOS栅极下拉电阻，确保默认状态下N-MOS截止。 - R1是P-MOS栅极上拉电阻（10k），R3是N-MOS栅极限流电阻（10k）。 相关问题： 1. 如何选择适合3.3V系统的P-MOS管？ 2. 一键开关机电路中如何实现按键消抖？ 3. 为什么需要二极管隔离按键信号和P-MOS栅极？ 4. 如何优化一键开关机电路的功耗以延长电池寿命？</think>### 一键开关机电路设计方案 根据引用[1][2]，设计需满足三功能：**短按开机**、**短按切换菜单**、**长按关机**。以下是完整设计方案： --- ### 一、基础电路框架（3.3V系统） ```plaintext VIN (3.3V) ────┬─────── P-MOS (S) ──────▶ VCC (系统电源) │ ▲ │ │ R1 N-MOS (D) 10kΩ │ │ │ 按键(SW) ───────┴─────── N-MOS (G) │ Power_Ctrl (MCU IO) │ 按键信号───▶ PA0 (MCU检测IO) ``` **元件说明**： - **P-MOS**：电源开关（如AO3401，$V_{GS(th)}<1.2V$） - **N-MOS**：栅极驱动（如AO3400，$R_{DS(on)}=23mΩ$） - **MCU**：低功耗单片机（如STM32L0） --- ### 二、工作原理详解 #### 1. **关机状态 → 开机** - 按键按下：P-MOS栅极通过按键接地，$V_{GS} = VIN$，P-MOS导通 → VCC上电[^1] - MCU启动后立即置位`Power_Ctrl=HIGH`，使N-MOS导通维持供电 #### 2. **开机状态操作** - **短按切换菜单**：MCU通过PA0检测下降沿，执行菜单切换 - **长按关机**：在"关机菜单"长按2秒，MCU置`Power_Ctrl=LOW` → N-MOS截止 → P-MOS栅极悬空 → 系统断电 #### 3. **电压匹配处理** 当$V_{MCU} \neq VIN$时（如MCU=3.3V，VIN=5V）： ```plaintext Power_Ctrl ──▶ NPN基极 │ R2 │ VIN (5V) │ ▼ N-MOS栅极 ``` > 使用NPN三极管（如MMBT3904）进行电平转换，避免IO过压[^2] --- ### 三、关键电路设计 #### 1. 防误触发电路 ```plaintext 按键 ──▶ 10kΩ ──▶ PA0 │ 100nF │ GND ``` - **RC滤波**：消除抖动（时间常数$\tau=1ms$) - **软件消抖**：检测到下降沿后延时20ms再确认 #### 2. 断电保护设计 - **栅极保护**：P-MOS栅极并联12V稳压管防电压尖峰 - **反向电流阻断**：P-MOS体二极管方向朝向VIN --- ### 四、软件流程 ```mermaid stateDiagram-v2 [*] --> 关机状态 关机状态 --> 开机状态： 检测到按键按下 开机状态 --> 菜单切换： 短按(≤500ms) 开机状态 --> 关机检测： 长按(>1s) 关机检测 --> 关机状态： 确认在关机菜单 ``` **伪代码**： ```c // 开机初始化 void main() { GPIO_Init(Power_Ctrl, OUTPUT, HIGH); // 维持供电 while(1) { if(KEY_Pressed()) { if(Press_Time < 500ms) menu_switch(); // 短按切菜单 else if(current_menu == OFF_MENU) { GPIO_Write(Power_Ctrl, LOW); // 触发断电 while(1); // 等待断电 } } } } ``` --- ### 五、功耗优化技巧 1. **静态电流控制**： - 关机时通过$R_1$（10kΩ）限制漏电流： $$I_{leak} = \frac{VIN}{R_1} = \frac{3.3}{10000} = 0.33\mu A$$ 2. **MOS选型**： - 选择$R_{DS(on)}@2.5V < 20mΩ$的MOS管（如DMN1019） 3. **MCU休眠**： - 开机后无操作时进入STOP模式（功耗$<1\mu A$） --- ### 六、设计验证要点 1. **上电时序**： - 用示波器确认VCC上升时间$<10ms$ 2. **断电测试**： - 强制拉低Power_Ctrl，验证系统完全断电 3. **ESD防护**： - 按键引脚添加TVS管（如PESD5V0S1） > ⚠️ **注意**：若VIN>5V，需在PA0前添加电阻分压网络： > $$R_{top} = 10kΩ, \quad R_{bot} = 20kΩ \quad \Rightarrow \quad V_{PA0} = VIN \times \frac{R_{bot}}{R_{top}+R_{bot}}$$
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