中穎電子的很多產品是定位于家電和工控應用,關機電流(@掉電模式)在5~10μA左右,不適合低功耗應用。如果想將這些產品用于更低關機功耗需求的應用,可以用本文介紹的控制電路,實現零關機電流。
電源斷電控制電路的工作原理是:用外部啟動信號和MCU的GPIO通過MOS開關管控制系統電源的通電和斷電。因為系統在關機狀態是真實斷電、沒有功耗,關機電流近乎為零。
常見的外部啟動信號包括按鍵啟動、插入啟動等,例如:按開機鍵啟動血壓計、插入試紙啟動血糖儀。根據有效邏輯的不同,啟動信號可以分為兩種:高有效信號和低有效信號。兩種啟動信號對應的控制電路有一些區別,下文用按鍵舉例分別進行說明。
1.高有效信號的斷電控制電路
高有效信號是指信號的無效狀態(按鍵釋放)是低電平或高阻態,有效狀態(按鍵按下)是高電平。高有效信號的電源斷電控制電路見下圖。
圖1. 高有效信號的控制電路,Q2是N-MOS管
圖中:
(1)K1是啟動鍵,MCU是系統控制器。
(2)VBAT是外部供電電源,VDD是系統電源,KEY_IN和CTRL_OUT是MCU的GPIO。
(3)Q1是P-MOS管,Q2是N-MOS管。
操作流程:
關機狀態下,Q1和Q2都處于截止狀態,系統斷電。
按下啟動鍵K1后,VBAT經過K1和D1加載到Q2柵極,Q2導通;Q1柵極被下拉到低電平,Q1導通;VBAT給VDD供電,系統上電啟動。
MCU上電后,首先將KEY_IN引腳設置為輸入狀態,用于檢測按鍵狀態,并使能此引腳的內部下拉電阻(如果沒有內建下拉電阻,則要在KEY_IN引腳上外接下拉電阻)。然后將CTRL_OUT引腳設置為輸出高電平,用于鎖住Q2導通狀態。此時,即使釋放了啟動鍵,Q2仍然保持導通狀態,系統正常供電。
工作狀態下,按下K1鍵,KEY_IN是高電平;釋放K1鍵,KEY_IN是低電平。
需要關機時,MCU只要設置CTRL_OUT引腳輸出低電平(@啟動鍵已經釋放),就可以控制Q2和Q1依次進入截止狀態,系統斷電關機。
圖1中的Q2可以替換成價格更低的NPN三極管,功能不變,電路如下。
圖2. 高有效信號的控制電路,Q2是NPN管
2. 低有效信號的斷電控制電路
低有效信號是指信號的無效狀態(按鍵釋放)是高電平或高阻態,有效狀態(按鍵按下)是低電平。低有效信號的電源斷電控制電路見下圖。
圖3. 低有效信號的控制電路,Q2是NMOS管
低有效信號控制電路和高有效信號控制電路相比,主要是增加了一個N-MOS管Q3,用于在開機狀態給啟動鍵提供地電位。
操作流程:
關機狀態下,Q1、Q2和Q3都處于截止狀態,系統斷電。
按下啟動鍵K1后,VBAT經過K1和D1加載到Q2柵極,Q2導通;Q1柵極被下拉到低電平,Q1導通;VBAT給VDD供電,系統上電啟動。
MCU上電后,首先將KEY_IN引腳設置為輸入狀態,用于檢測按鍵狀態,并使能此引腳的內部上拉電阻。然后將CTRL_OUT引腳設置為輸出高電平,用于鎖住Q2導通狀態;同時將Q3導通,為K1鍵提供地電位。
工作狀態下,按下K1鍵,KEY_IN是低電平;釋放K1鍵,KEY_IN是高電平。
需要關機時,MCU先關閉KEY_IN引腳的上拉電阻,然后設置CTRL_OUT引腳輸出低電平(@啟動鍵已經釋放),就可以控制Q3、Q2和Q1依次進入截止狀態,系統斷電關機。
備注:在啟動階段,K1鍵仍然是高有效,按下K1鍵KEY_IN是高電平。MCU啟動后,使能KEY_IN上拉電阻,并用CTRL_OUT導通Q3后,K1鍵才切換為低有效,按下K1鍵KEY_IN是低電平。
圖3中的Q2同樣可以用價格更低的NPN三極管替換,功能不變,電路如下。
圖4. 低有效信號的控制電路,Q2是NPN管
3. 補充說明
(1)使用電源斷電控制電路,只能通過啟動信號啟動系統,供電電源(VBAT)上電無法啟動系統。例如,更換電池后系統不會直接啟動,必須再按一次啟動鍵才能啟動系統。
(2)工作漏電和電阻值選擇
使用電源斷電控制電路,會給工作狀態額外增加大約幾十微安的漏電,包括:
- VBAT通過R1-Q3漏電
- VBAT通過R2-R3-Q2漏電
- KEY_IN/CTRL_OUT通過D1/D2-(R5)-R4的漏電
- CTRL_OUT通過R6漏電
這些漏電的大小與VBAT電壓和R1/R2/R4/R6的阻值相關,R1推薦阻值100k~470kΩ,R2/R4/R6推薦阻值470k~1MΩ。下表是SH86F7088+低有效信號控制電路的漏電數據。
表1. SH86F7088+低有效信號控制電路的漏電(@7088在PowerDown模式)
VBAT/VDD | R1 | R2/R4/R6 | IPD | ILEAK |
3.3V | 無控制電路 | 9.2 μA | - | |
100kΩ | 470kΩ | 62.6 μA | 53.4 μA | |
100kΩ | 1MΩ | 51.9 μA | 42.7 μA | |
470kΩ | 1MΩ | 25.9 μA | 16.7 μA |
(3)R1阻值選擇、D1和Q2選型
在低有效信號的電源斷電控制電路中,當啟動鍵K1按下時,VBAT通過R1-K1把KEY_IN拉高,因為MCU引腳內部電路的影響(此時MCU無電),KEY_IN并不能被拉到VBAT電壓,R1電阻越大,KEY_IN電壓越低。下表是SH86F7088無電條件下外部上拉實測數據。
因此,R1阻值、D1和Q2選型時,必須要保證KEY_IN電壓經過二極管D1的壓降后仍然高于Q2的柵極閾值電壓VGS(或基級-發射級導通電壓VBE(on)),才能確保Q2導通。
表2. SH86F7088無電條件下外部上拉測試數據
VBAT | R1 | VKEY_IN | VDD(倒灌) |
3.3V | 0Ω | 3.29V | 2.47V |
100kΩ | 1.50V | 0.92V | |
470kΩ | 1.34V | 0.81V | |
1MΩ | 1.27V | 0.76V |
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原文標題:電源斷電控制電路
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