硬開(kāi)關(guān)電路設計實(shí)例

　　硬開(kāi)關(guān)電路是將2節7號電池的串聯(lián)電壓通過(guò)DC/DC轉換器MAX756轉換成3.3 V的電壓，電路圖如圖1所示。如果不經(jīng)升壓電路而直接由電池供電，那么因電池端產(chǎn)生的電壓存在一個(gè)由高到低的下降過(guò)程。2節新電池的串聯(lián)電壓在3 V以上，隨著(zhù)能量的耗盡，會(huì )下降到2V以下，導致機器無(wú)法正常工作。JM2按鍵為開(kāi)/關(guān)機鍵，在按動(dòng)JM2時(shí)，由于按鍵的抖動(dòng)，會(huì )產(chǎn)生誤動(dòng)作。由R20，C13，R21，R22，R23，V9構成的充放電回路，作用是通過(guò)適當地選擇R20，C13，R21的值，使充放電回路的充電時(shí)間與放電時(shí)間都大于鍵抖動(dòng)時(shí)間，從而有效地消除鍵的抖動(dòng)。V9集電極輸出的按鍵脈沖經(jīng)去抖后，再通過(guò)U25 （74HC14）三個(gè)帶施密特觸發(fā)器的反相器進(jìn)一步濾波整形，產(chǎn)生波形完整的單脈沖。由該脈沖觸發(fā)U24A（74HC74 D觸發(fā)器）的翻轉。

　　圖1中：

　�、偃鬠24A的5腳Q端輸出高電平，則6腳Q端輸出低電平，該低電平輸入到MAX756的1腳禁止端（低電平有效）。此時(shí)MAX756處于關(guān)斷狀態(tài)，但由于DC/DC轉換電路中的脈沖整流管V5的存在，電池電壓仍然經(jīng)V5到達DC/DC的輸出端6腳。因此，在電路中還必須加一個(gè)晶體管V11作為開(kāi)關(guān)元件。在U24A的6腳Q端輸出低電平使MAX756處于禁止狀態(tài)時(shí)，U24A的5腳Q端輸出高電平使晶體管V11處于截止狀態(tài)，從而使電池到主電路的電源VCC的通路處于徹底關(guān)斷狀態(tài)，機器處于關(guān)機狀態(tài)，并且關(guān)機時(shí)整機電流為最小，經(jīng)測量不超過(guò)5uA.

　�、诋敯存I脈沖觸發(fā)U24A（74HC74 D觸發(fā)器）翻轉，U24A的5腳Q端輸出低電平，6腳Q端輸出高電平時(shí)，MAX756處于工作狀態(tài)，因輸出電壓控制端2腳為高電平，所以輸出+3.3 V的電壓。同時(shí)，U24A的5腳Q端輸出低電平促使晶體管V11處于導通狀態(tài)，這樣MAX756輸出可為主電路提供工作電源，機器處于開(kāi)機狀態(tài)。

　　在開(kāi)機狀態(tài)下，單片機的輸出SWPW保持為低電平。當單片機將SWPW輸出改為高電平時(shí)，通過(guò)V10構成的反相電路輸出低電平，使U24A置1端有效，U24A的5腳Q端輸出高電平，6腳Q端輸出低電平，機器將被關(guān)機，所以SWPW可作為“自動(dòng)關(guān)機”信號。由于在單片機上電復位時(shí)1/O口輸出為高電平，復位時(shí)的SWPW高電平會(huì )引起“復位誤關(guān)機”現象。為防止這種現象的發(fā)生，在SWPW輸出電路中加了由R25，C14構成的充電回路，適當選擇R25，C14的取值，復位后在R25，C14充電回路未充到V10導通的閥值電平0.7 V之前將SWPW置為低電平，便可避免“復位誤關(guān)機”現象。

　　MAX756的5腳LBI是電池低電壓的檢測引腳，如果該引腳上的電壓下降到內部參考基準電壓1.25 V以下，MAX756的4腳LBO（漏極開(kāi)路型輸出）便會(huì )輸出低電平，可作為電池低壓報警信號。報警電壓點(diǎn)的設定依據有兩個(gè)。

　�、�?lài)鴺艘�求電池終止電壓為0.9 V.經(jīng)過(guò)實(shí)際測量，當2節7號電池的串聯(lián)電壓降到2V以下時(shí)，電池能量即將耗盡，已不能維持產(chǎn)品持續穩定工作。因此將電池低壓檢測報警點(diǎn)設定在2 V.

　　之所以稱(chēng)該電路為硬開(kāi)關(guān)電路，主要原因在于按下JM2便可實(shí)現開(kāi)關(guān)機，無(wú)須再由單片機來(lái)輔助。SWPW的作用是實(shí)現定時(shí)自動(dòng)關(guān)機。接下來(lái)講的電池供電電路在按鍵控制開(kāi)關(guān)機時(shí)必須有單片機來(lái)輔助才行。

　　軟開(kāi)關(guān)電路設計實(shí)例

　　在圖2所示的電源管理電路中，采用了日本理光公司的RN5RK331A DC/DC轉換器，將電池提供的電壓變換為3.3 V的電壓后再供給主電路，保證在電池的整個(gè)壽命周期內機器都能穩定工作。

　　圖2軟開(kāi)關(guān)電路 該電路的開(kāi)/關(guān)機的過(guò)程分為這樣兩種情況：

　�、僭陉P(guān)機狀態(tài)下，JM16鍵作為開(kāi)機鍵使用。按下JM16，電池電壓經(jīng)V1到達V5的基極，促使V5和V7導通；電池電壓經(jīng)V7到DC/DC轉換器RN5RK331A的輸入端和使能端，DC/DC轉換器開(kāi)始工作，向主電路輸出3.3 V電源。支付密碼器進(jìn)入開(kāi)機狀態(tài)后，再由單片機的P3.6輸出低電平并經(jīng)反相后通過(guò)V2使V5和V7保持導通狀態(tài)，這樣即使JM16鍵松開(kāi)后，支付密碼器也能維持開(kāi)機狀態(tài)，P3.6輸出低電平起到開(kāi)機自保的作用。

　�、谠陂_(kāi)機狀態(tài)下，JM16鍵作為關(guān)機鍵使用。未按下JM16鍵時(shí)，SWH信號點(diǎn)為低電平。按下JM16鍵，SWH信號點(diǎn)為高電平，這一信號變化通過(guò)鍵盤(pán)接口被單片機讀��；在開(kāi)機時(shí)檢測到JM16的閉合，可確定為關(guān)機命令；等到JM16鍵松開(kāi)后，單片機的P3.6輸出高電平并經(jīng)反相后通過(guò)V2使V5和V7變?yōu)榻刂範顟B(tài)，支付密碼器因為沒(méi)有電源供給而關(guān)機。在該供電電路中晶體管V7是電池供電的開(kāi)關(guān)元件，將它設在DC/DC轉換電路的前面，關(guān)機時(shí)將DC/DC轉換器的供電回路完全切斷，進(jìn)一步減小了關(guān)機時(shí)的漏電流。整機關(guān)機后，經(jīng)檢測，關(guān)機電流小于5uA.圖2中的電池低電壓檢測報警由日本理光公司的RN5VT20CA（U9）實(shí)現，檢測電壓為固定值2V.

　　與圖1相比較，用JM16鍵開(kāi)機后，還必須利用單片機P3.6輸出低電平實(shí)現開(kāi)機自保，因此稱(chēng)該電路為“軟開(kāi)關(guān)電路”。使用該軟開(kāi)關(guān)電路的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)須考慮按鍵去抖動(dòng)問(wèn)題，硬件電路簡(jiǎn)單，可降低硬件成本，節約印制板板面，在手持式產(chǎn)品中印制板板面是非常寶貴的（元器件的數量直接影響印制板的大小和產(chǎn)品整體外觀(guān)）。缺點(diǎn)是當受到外界強信號干擾或由于電池電量不足而引起死機時(shí)，按鍵JM16將不起作用，必須取出電池，再重新裝入方能解決死機現象。當然這種情況出現的機率極低，且因電池電量不足而引起死機時(shí)，就需要更換電池了。而圖1的硬開(kāi)關(guān)電路中，當碰到死機現象時(shí)，無(wú)需觸摸電池，通過(guò)按鍵JM2就能實(shí)現開(kāi)機和關(guān)機。

　　電源濾波

　　在以上介紹的DC/DC轉換電路中，采用的是DC/DC升壓轉換器件，升壓型DC/DC轉換器的電路結構如圖3所示。

　　圖3

　　開(kāi)關(guān)K導通時(shí)電池BT給電感L充電，在L中以場(chǎng)的形式儲存能量1/（2L×I2）。其中，I為電感電流。K斷開(kāi)后，L中的磁能又以電能的形式釋放給濾波電容C2和負載RL.周期性的開(kāi)關(guān)操作使電池能量源源不斷地送入負載，而輸出電壓被轉換為：Vout = Vin/（1-δ）

　　式中，δ為開(kāi)關(guān)占空比（導通時(shí)間占工作周期的比率）�？刂齐娐繁O測輸出電壓并控制占空比，從而達到調節和穩定輸出電壓的目的。本文介紹的DC/DC升壓轉換器件的控制方式均為PFM（脈沖頻率調制），具有較小的靜態(tài)電流，輕載情況下效率較高，但紋波稍大。為保證主電路穩定工作，必須考慮對電源輸出進(jìn)行濾波。一般采用無(wú)源濾波電路來(lái)進(jìn)行濾波，無(wú)源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復式濾波（包括倒L型，LCπ型濾波和RCπ型濾波等）。當采用電感濾波或復式電感型濾波時(shí)，需采用電感量高、體積大的電感，對手持、便攜式產(chǎn)品并不適用，所以在負載電流較小的場(chǎng)合，采用RCπ型濾波，結構簡(jiǎn)單、經(jīng)濟，濾波效果也比較好。濾波電容的等效串聯(lián)電阻《ESR）是造成輸出紋波的主要因素，電容的材質(zhì)應選擇具有較低ESR的陶瓷電容、鋁電解電容和鈕電解電容，應盡量避免標準鋁電解電容。采用RCn型濾波時(shí)，輸出電壓兩端的脈動(dòng)系數S=1/（Kω×C×R）。K為常數，由該公式可知，在ω值一定的情況下，R愈大，C愈大，則脈動(dòng)系數愈小，也就是濾波效果就越好。R值增大時(shí)，電阻上的直流壓降會(huì )增大，這樣就增大了直流電源的內部損耗；若增大C的電容量，又會(huì )增大電容器的體積和重量，也不易實(shí)現，因此電容的容量一般為10-100 uF，電阻的值一般在10Ω以下。

　　結語(yǔ)

　　以上介紹的兩種電池供電電路，都是將電池電壓轉換為+3.3 V直流電壓，為單片機應用系統提供工作電源的DC/ DC升壓電路。這類(lèi)電路主要用在由2節7號電池供電的PDA、手持終端等產(chǎn)品中，其他類(lèi)產(chǎn)品（如手機、數碼相機）的電池供電電路會(huì )有所不同，但工作原理基本相似。本文所講的兩個(gè)實(shí)例較好地解決了在電池供電電路的設計中，面臨的如何實(shí)現開(kāi)關(guān)機、降低關(guān)機電流、減小輸出電源中的紋波和干擾信號、提高轉換效率等一系列問(wèn)題。只有妥善地解決這些問(wèn)題，才能確保產(chǎn)品穩定可靠地工作。